Roches magmatiques et structure du globe

En quatrième, tu as appris que la surface de la Terre est découpée en plaques qui bougent. La question de première est : de quoi est faite la Terre sous nos pieds, et comment le sait-on, alors que le forage le plus profond jamais réalisé n'a pas atteint treize kilomètres, sur un rayon de six mille quatre cents ?

Les ondes sismiques, seule sonde disponible. Un séisme émet des ondes qui traversent le globe et sont enregistrées partout par des sismographes. Deux types nous renseignent. Les ondes P (premières) sont des ondes de compression : elles se propagent dans les solides comme dans les liquides. Les ondes S (secondes) sont des ondes de cisaillement : elles ne se propagent que dans les solides. Et la vitesse de chacune dépend du matériau traversé : plus il est rigide et dense, plus les ondes sont rapides. En comparant les temps d'arrivée à des milliers de stations, on reconstitue la vitesse des ondes à chaque profondeur — et chaque saut de vitesse signale un changement de matériau : une discontinuité.

Le globe en couches. De la surface au centre :

• la croûte, mince : environ $30$ km sous les continents, $7$ km sous les océans ; sa base est la discontinuité de Mohorovičić (le Moho), où la vitesse des ondes P saute brusquement ;
• le manteau, jusqu'à environ $2\,900$ km de profondeur : la discontinuité de Gutenberg le sépare du noyau. Les ondes S s'y propagent partout : le manteau est solide ;
• le noyau, dont la partie externe est liquide — les ondes S y disparaissent, les ondes P y ralentissent — et la partie interne, sous environ $5\,150$ km, solide.

Les roches des enveloppes. On connaît les roches de la croûte par affleurement et forage, celles du manteau par des fragments remontés par les volcans. La croûte continentale est faite pour l'essentiel de granite et de roches voisines ; la croûte océanique de basalte en surface et de gabbro en profondeur ; le manteau de péridotite. Toutes sont des roches magmatiques : elles proviennent de la solidification d'un magma, roche fondue.

La texture d'une roche magmatique raconte son refroidissement. Si le magma refroidit lentement, en profondeur, les cristaux ont le temps de grandir : tous sont visibles à l'œil nu, la roche est entièrement cristallisée — texture grenue (granite, gabbro, péridotite). Si le magma refroidit vite, en surface, au contact de l'air ou de l'eau, seuls quelques cristaux se forment, dans une pâte non cristallisée, le verre — texture microlithique (basalte, rhyolite, andésite).

Un point à bien saisir : basalte et gabbro ont la même composition chimique — c'est le même magma. Ce qui les distingue n'est pas la matière, c'est le temps qu'elle a eu pour cristalliser. Lire une texture, c'est lire une vitesse de refroidissement, donc un lieu.

Rigide ou ductile : une autre façon de découper. La croûte et la partie supérieure du manteau forment ensemble la lithosphère, rigide, épaisse d'une centaine de kilomètres : ce sont les plaques de quatrième. En dessous, l'asthénosphère est du manteau solide mais ductile — il se déforme lentement, sur des millions d'années, comme une pâte très visqueuse — et les ondes S y ralentissent un peu. Le découpage croûte/manteau est chimique (des roches différentes) ; le découpage lithosphère/asthénosphère est mécanique (rigide/ductile). Les deux limites ne coïncident pas.

Trois nombres à retenir, et à comprendre. Les masses volumiques moyennes des enveloppes superficielles : croûte continentale environ $2{,}7$ g/cm³, croûte océanique environ $2{,}9$ g/cm³, manteau supérieur environ $3{,}3$ g/cm³. Le sens des inégalités n'est pas un détail : la croûte continentale est la moins dense, la croûte océanique un peu plus dense, le manteau nettement plus. Ces valeurs se mesurent au laboratoire sur les roches correspondantes : granite, basalte et gabbro, péridotite.

Première conséquence : les continents sont hauts. La lithosphère repose sur l'asthénosphère ductile comme un radeau sur l'eau. Une croûte continentale épaisse et peu dense s'enfonce moins qu'une croûte océanique mince et plus dense : les continents émergent, les océans occupent les creux. La topographie de la Terre — deux niveaux dominants, celui des continents vers $+0$ à $+1$ km et celui des fonds océaniques vers $-4$ km — est une conséquence directe de ces trois nombres.

Deuxième conséquence : la lithosphère océanique peut plonger. Vieille et refroidie, elle devient plus dense que l'asthénosphère sous-jacente et s'enfonce dans le manteau : c'est la subduction de quatrième, dont tu connais désormais la cause. Une lithosphère continentale, trop légère, ne s'enfonce pas : elle résiste, se plisse, s'épaissit — les chaînes de montagnes.

Le manteau solide, mais qui bouge. Le mot « solide » heurte l'intuition : comment un solide peut-il se déformer ? Comme un glacier : la glace est solide, et pourtant un glacier s'écoule de quelques mètres par an. Le manteau se déforme de même, infiniment plus lentement, sous l'effet de la chaleur interne. Il n'y a pas d'« océan de magma » sous la croûte. Le magma n'existe que localement, là où les conditions de température et de pression permettent une fusion partielle de la péridotite — sous les dorsales, au-dessus des zones de subduction, sous les points chauds. Le reste du temps, le manteau est une roche.

Lire une roche. Devant un échantillon, deux questions. Quelle texture ? Tous les cristaux visibles et jointifs : grenue, refroidissement lent, en profondeur — roche plutonique. Quelques cristaux dans une pâte : microlithique, refroidissement rapide, en surface — roche volcanique. Quelle composition ? Claire, riche en quartz et feldspaths : famille du granite et de la rhyolite, typique de la croûte continentale. Sombre, sans quartz : famille du gabbro et du basalte, typique de la croûte océanique. Très sombre et dense, verdâtre : péridotite, manteau. Deux questions, une réponse : où cette roche s'est formée.

Ce que le programme de première ne demande pas. Ni la datation des roches, qui attend la terminale, ni le géotherme et la tomographie sismique, traités dans les leçons suivantes de première sur la dynamique de la lithosphère. Ici, on apprend à argumenter : une vitesse d'onde qui saute, une onde S qui disparaît, une texture, une masse volumique — et l'on en déduit une structure.

Énoncé. Deux roches sont posées sur la paillasse. L'échantillon A est clair, entièrement fait de cristaux visibles à l'œil nu (quartz, feldspaths, micas). L'échantillon B est sombre, avec quelques petits cristaux pris dans une pâte grise sans cristaux visibles. On donne les masses volumiques moyennes : croûte continentale $2{,}7$ g/cm³, croûte océanique $2{,}9$ g/cm³, manteau supérieur $3{,}3$ g/cm³. Les ondes P se propagent à environ $6$ km/s dans le granite et $8$ km/s dans la péridotite (ordres de grandeur).

1. Identifier chaque roche, sa texture, sa vitesse de refroidissement et son lieu de formation.
2. Calculer la masse d'un bloc d'un mètre cube de chaque croûte, puis celle d'un mètre cube de manteau. De combien, en pourcentage, la croûte océanique est-elle plus dense que la continentale ?
3. Combien de temps une onde P met-elle pour traverser verticalement $30$ km de croûte continentale ? Et la même distance de péridotite ?

---

1. Lire les textures. L'échantillon A est entièrement cristallisé, cristaux visibles : texture grenue, refroidissement lent, en profondeur. Composition claire, quartz et feldspaths : c'est un granite, roche caractéristique de la croûte continentale. L'échantillon B a quelques cristaux dans une pâte non cristallisée : texture microlithique, refroidissement rapide, en surface. Composition sombre : c'est un basalte, roche de la croûte océanique — le même magma que le gabbro, figé en surface au lieu de cristalliser lentement en profondeur.

2. Les masses. Un mètre cube vaut $10^6$ cm³, et $1$ g/cm³ équivaut à $1\,000$ kg/m³ :

Écart relatif entre les deux croûtes :

Sept pour cent semblent peu ; sur l'épaisseur d'une lithosphère, ils suffisent à faire flotter un continent et plonger un plancher océanique.

3. Les temps de parcours. À vitesse constante, $t = d / v$ :

La même distance est parcourue plus d'une seconde plus vite dans la péridotite : c'est ce genre d'écart, mesuré sur des milliers de trajets, qui révèle le Moho — sous les continents, un saut de vitesse vers $30$ km de profondeur marque le passage du granite à la péridotite.

Contrôle. Le sens des inégalités doit être respecté partout : continentale $<$ océanique $<$ manteau pour les masses volumiques, et vitesse des ondes croissante avec la profondeur dans la lithosphère. Si ton calcul donne une croûte continentale plus dense que l'océanique, l'inégalité a été retournée.

Figure (fig.geology.globe-structure-textures, SVG programmatique à produire) : une coupe radiale de la Terre à gauche, deux loupes de textures à droite.

• Coupe radiale. Un quart de disque, du centre (en bas à gauche) à la surface (arc en haut à droite), avec une échelle des profondeurs le long du rayon : $0$, $30$ km (Moho, exagéré pour être lisible, avec la mention « épaisseur non à l'échelle »), $2\,900$ km (Gutenberg), $5\,150$ km (Lehmann), $6\,370$ km (centre). Quatre couches par des hachures distinctes — jamais par la seule couleur — étiquetées croûte, manteau, noyau externe, noyau interne, avec leur état écrit : « solide », « solide, ductile en partie », « liquide », « solide ». Un cartouche dans le noyau externe : « les ondes S ne passent pas ». Dans la croûte et le manteau supérieur, une accolade « lithosphère, rigide, ≈ $100$ km » chevauchant la limite croûte/manteau, pour montrer que les deux découpages ne coïncident pas.
• Bande des masses volumiques. Le long de la surface, trois pastilles : « croûte continentale $2{,}7$ », « croûte océanique $2{,}9$ », « manteau $3{,}3$ » (g/cm³), avec le signe $<$ entre elles.
• Loupe 1 — texture grenue. Un disque montrant des cristaux polygonaux jointifs de trois formes (quartz, feldspath, mica), tous de taille millimétrique, sans pâte. Légende : « grenue : refroidissement lent, en profondeur — granite, gabbro, péridotite ».
• Loupe 2 — texture microlithique. Un disque montrant quelques cristaux allongés et rares, dispersés dans un fond uniforme (le verre), avec de fines baguettes (microlithes). Légende : « microlithique : refroidissement rapide, en surface — basalte, rhyolite, andésite ».
• Flèche entre les loupes : « même magma, deux vitesses de refroidissement : basalte ⇄ gabbro ».

Ce qu'il faut lire. La coupe donne l'ordre des couches et l'argument sismique de chaque limite ; la bande de densités fournit les trois nombres dans le bon sens ; les loupes traduisent le mot « texture » en image. La flèche entre les deux loupes est le cœur de la leçon : même matière, histoire différente.

La figure en détail : la figure comporte une coupe de la Terre à gauche et deux vues rapprochées de roches à droite. La coupe est un quart de disque dont le centre est en bas à gauche et la surface en haut à droite ; le long du rayon, une échelle indique les profondeurs des principales limites : la base de la croûte vers trente kilomètres, dessinée plus épaisse que nature avec une mention le signalant, la limite manteau-noyau vers deux mille neuf cents kilomètres, la limite entre noyau externe et noyau interne vers cinq mille cent cinquante kilomètres, et le centre à six mille trois cent soixante-dix kilomètres. Chaque couche porte une hachure différente et son état écrit : croûte solide, manteau solide et en partie ductile, noyau externe liquide avec la mention que les ondes S n'y passent pas, noyau interne solide. Une accolade nommée lithosphère englobe la croûte et le haut du manteau. Trois pastilles alignées près de la surface donnent les masses volumiques de la croûte continentale, de la croûte océanique et du manteau, dans l'ordre croissant. À droite, la première vue rapprochée montre une roche faite uniquement de cristaux jointifs bien visibles, illustrant la texture grenue ; la seconde montre quelques cristaux isolés dans un fond uniforme, illustrant la texture microlithique. Une flèche à double sens entre les deux rappelle que le basalte et le gabbro proviennent du même magma refroidi à des vitesses différentes.

Les unités. Masse volumique en g/cm³ ou kg/m³ ($1$ g/cm³ $= 1\,000$ kg/m³) ; vitesse en km/s ; profondeur en km. Un pourcentage d'écart est sans unité.

L'argument type. Observation (texture, vitesse, disparition d'une onde, masse volumique) → interprétation (vitesse de refroidissement, changement de matériau, état liquide, flottabilité) → conclusion (lieu de formation, structure). Une réponse de première est un raisonnement, pas une récitation.

1. Croire que le manteau est liquide. Les ondes S le traversent de part en part : il est solide. Ductile — il se déforme lentement, comme un glacier —, mais solide. Le magma n'apparaît que par fusion partielle, localement. La seule enveloppe liquide est le noyau externe.
2. Inverser texture et vitesse de refroidissement. Gros cristaux = temps de cristalliser = refroidissement lent, en profondeur. Cristaux minuscules dans du verre = refroidissement rapide, en surface. Le basalte, roche de surface, est microlithique ; le gabbro, même magma en profondeur, est grenu.
3. Penser que la croûte continentale est plus dense que l'océanique. C'est l'inverse : $2{,}7$ contre $2{,}9$ g/cm³. C'est même parce qu'elle est moins dense que la croûte continentale émerge et ne subducte pas.
4. Confondre le découpage chimique et le découpage mécanique. Croûte/manteau sépare des roches ; lithosphère/asthénosphère sépare un comportement rigide d'un comportement ductile. La lithosphère contient la croûte et le haut du manteau ; la limite lithosphère/asthénosphère est dans le manteau, pas au Moho.
5. Prendre le Moho pour une limite d'état. Au Moho, on passe d'une roche à une autre (granite ou gabbro → péridotite), toutes deux solides. Le saut de vitesse vient du changement de matériau, pas d'un changement d'état.
6. Attribuer une texture à une composition. Grenue ou microlithique ne dit rien de la chimie : un granite et un gabbro sont tous deux grenus, un basalte et une rhyolite tous deux microlithiques. Deux questions séparées : la texture (le lieu) et la composition (la famille).
7. Imaginer une croûte partout de même épaisseur. Environ $30$ km sous les continents — davantage sous les montagnes —, environ $7$ km sous les océans. La croûte océanique est mince et dense, la continentale épaisse et légère : c'est ce couple qui fait la topographie.
8. Lire les vitesses d'ondes comme des données à apprendre. Ce sont des ordres de grandeur, utiles pour un calcul de durée ($t = d/v$) et pour comprendre qu'un saut de vitesse signale une discontinuité. Aucune valeur précise n'est exigible ; le raisonnement, lui, l'est.

Le modèle d'entraînement. L'exercice associé à cette leçon tire une roche réelle — basalte, gabbro, granite, rhyolite, andésite, péridotite — et pose l'une de cinq questions : cette roche à texture grenue ou microlithique a-t-elle refroidi vite ou lentement ; en surface ou en profondeur ; de quelle enveloppe est-elle caractéristique ; le manteau est-il liquide ; laquelle de deux enveloppes est la plus dense, les masses volumiques étant affichées. Les mauvaises réponses sont des erreurs réelles d'élèves, chacune contredite dans le corrigé.

Énoncé type. Le gabbro est une roche magmatique à texture grenue : tous ses cristaux sont visibles à l'œil nu et jointifs. À quelle vitesse le magma dont il provient a-t-il refroidi ?

Corrigé complet.

1. Relier la texture au temps. Un cristal grandit tant que le magma reste liquide autour de lui. Des cristaux tous visibles à l'œil nu ont eu le temps de grandir : le refroidissement a été lent.

2. Relier le temps au lieu. Un magma ne refroidit lentement que s'il est isolé de la surface : en profondeur, dans la croûte, entouré de roches qui l'isolent thermiquement. Le gabbro est une roche plutonique de la croûte océanique — le même magma que le basalte, qui, lui, jaillit en surface et refroidit vite.

Le gabbro a refroidi lentement, en profondeur, ce qui a laissé le temps à ses cristaux de grandir jusqu'à se voir à l'œil nu.

3. Écarter les mauvaises réponses. « Rapidement » produirait une texture microlithique : cristaux minuscules dans une pâte non cristallisée — ce n'est pas ce qu'on observe. « À une vitesse sans lien avec la texture » contredit le principe même de la lecture d'une roche : la taille des cristaux dépend d'abord du temps disponible pour cristalliser. « Sans refroidir, en restant liquide » est absurde pour une roche : le magma s'est entièrement solidifié.

Auto-contrôle. Ai-je raisonné dans l'ordre texture → temps → lieu, sans sauter d'étape ? Ai-je gardé séparées la texture (grenue ou microlithique) et la composition (famille du basalte ou du granite) ? Et, pour toute question de masse volumique, ai-je écrit l'inégalité dans le bon sens — continentale $<$ océanique $<$ manteau ?