Sur le même site:
La dérive des continents
  1. Conceptions historiques ↓ 
  2. Quelques énoncés dans les programmes scolaires français ↓ 
  3. Conceptions d'élèves ↓ 
  4. Références ↓ 


Ce réseau de concepts est complexe, mêlant des échelles de temps et d'espace très différentes (séisme, éruption volcanique, déplacement d'une plaque lithosphérique).

Conceptions historiques

Les mouvements de la Terre

Aristote s'inscrit dans la théorie des quatre éléments : la Terre est exclusivement formée... de l’élément terre; la partie superficielle du globe contient des cavités. Le vent (ou souffle interne), sortant de ces cavités, provoque des tremblements de terre; l'élément terre, broyé en petites particules, prend feu et donne des volcans (Deparis, 2000 ↓ ).

Kirsher, Mundus subterraneus
Kircher A.. 1664. Mundus subterraneus
Huber P. Neustadt W.. Das Museum des Athanasius Kircher
www.kunstkammer.at/kircher.htm
Au 17ème siècle, la Terre est creuse et abrite le feu intérieur. Une des représentations les plus célèbres de cette théorie est celle d'Athanasius Kircher : disposition théorique des réserves de feu souterraines dont les volcans sont les soupiraux.


Le modèle "de la pomme ridée" (Allegre, 1983 ↓ ) est à la mode jusqu'au début du 20ème siècle.

«De même qu'une pomme, qui en séchant par l'évaporation de l'eau intérieure, présente à sa surface des rides plissées, le globe terrestre, par son refroidissement et par la contraction résultante de son intérieur a donné naissance aux plissements de son écorce.» (p.9) .
Cette théorie est citée (mais non partagée) par Alfred Wegener (Wegener, 1912 ↓ ).

Comme arguments contre, Wegener cite les nappes de charriage alpines, qui témoignent de raccourcissements bien plus importants, le non refroidissement : «on ne peut plus regarder l'état thermique actuel comme une phase du refroidissement progressif de la Terre, mais plutôt comme un état d'équilibre entre la production de chaleur due à la radioactivité interne et son émission dans l'espace.» (p.12) et l'isostasie. Pour résoudre les contradictions des explications précédentes, Wegener propose une nouvelle théorie, celle de la dérive des continents (cf La dérive des continents → ).

La convection selon Holmes
La convection (Holmes, 1948).
Une des grandes lacunes des propositions de Wegener est l'absence d'un mécanisme satisfaisant qui déplacerait les continents; pourtant, dès 1929, Arthur Holmes calcule que la viscosité des couches internes de la Terre est suffisament faible pour permettre leur mise en convection (Holmes, 1929 ↓ ).

Ce n'est qu'à partir des années 50 que des arguments décisisifs apportés par l'étude du paléomagnétisme vont convaincre les plus incrédules. Lors de leur refroidissement les laves enregistrent l'orientation du champ magnétique terrestre. Hors les relevés fait en Europe, puis en Amérique du nord ne peuvent s'expliquer que si on suppose les deux continents accolés au Trias, puis des déplacements différents conduisant à leur position actuelle (Hallam, 1976 p.61-69 ↓ ).

La découverte d'anomalies magnétiques positives et négatives, disposées en bandes parallèles au large de la Californie n'est pas immédiatement comprise. C'est Harry Hess qui en 1962 réécrit l'hypothèse de Holmes sur les courants de convection dans le manteau terrestre. Cette fois c'est au niveau des dorsales que les matériaux remontent des profondeurs. En 1963, Fred Vine et Drummond Matthews expliquent par l'expansion du fond océanique et l'inversion périodique du champ magnétique terrestre les anomalies observées de part et d'autre des dorsales (Vine, 1963 ↓ ). Les années qui suivent seront consacrées à une mise en cohérence des différents éléments constituant le modèle de la tectonique des plaques (Wilson : volcans de point chaud et failles transformantes, Morgan, Mc Kenzie, Le Pichon).

Paléogéographie du carbonifère dans les conceptions actuelles
Reconstitution de la positions des continents et du climat au Carbonifère.
© Scotese C.R.. 2002. www.scotese.com (PALEOMAP website)

Il convient de souligner un aspect souvent mal compris de la théorie actuelle : si c'est bien la chaleur produite dans le manteau qui fournit l'énergie nécessaire aux déplacements des plaques, ce sont les plaques qui organisent la convection et non la convection qui détermine les mouvements des plaques (sauf peut-être lors du rifting ?). L'élément déterminant de la tectonique des plaques est l'enfoncement du plancher océanique agé qui "coule" dans l'asthénosphère et l'expansion océanique n'en est qu'une conséquence.

() Deparis V. Legros H.. 2000. Voyage à l'intérieur de la Terre. De la géographie antique à la géophysique actuelle. Une histoire des idées. CNRS Editions, Paris. www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Geodynamique/Mouvements-plaques/Tectonique/Articles/derive.html
() Allègre C.. 1983. L'écume de la Terre. Fayard, Paris : 34.
Decobecq D. Histoire de la volcanologie. perso.club-internet.fr/decobed/Histoirevolcanologie.html
() Wegener A. 1912. Die Entsehung der Kontinente und Ozeane. Petermanns Mitteilungen. caliban.mpiz-koeln.mpg.de/~stueber/wegener/index.html Trad. Lerner A.. 1937. La génèse des continents et des océans. Librairie Nizet & Bastard, Paris. (1990) Christian Bourgois editeur, Paris.
() Holmes A.. 1929. Radioactivity and Earth movements. Trans. geol. Soc. Glasgow 18 : 559-606.
() Vine F. Matthews D.. 1963. Magnetic anomalies over oceanic ridges. Nature 199 : 947-949.
() Gould S.. 1997. Le succès de la dérive des continents in Darwin et les grandes énigmes de la vie. Seuil, Paris : 199. (1997. Ever since Darwin)
() Hallam A. . Trad. 1976. Une révolution dans les sciences de la Terre, de la dérive des continents à la tectonique des plaques. Seuil, Paris.
() Kious W. Tilling R.. 1996. This Dynamic Earth, the Story of Plate Tectonics. USGS. pubs.usgs.gov/publications/text/dynamic.html
() Thomas P.. Le volcanisme d'Auvergne : un point chaud ? www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Geodynamique/Volcanisme/Articles/volcan-M-C.htm

Structure de la Terre

Constatant que la densité moyenne de la Terre calculée par Cavendish en 1798 est supérieure à celle des roches, Wiechert propose le modèle manteau-noyau : le noyau possède la composition des météorites métalliques (Wiechert, 1898 ↓ ), le manteau est ce qui recouvre le noyau (en allemand, Mantel).

L'existence d'une zone d'ombre lors de la propagation des ondes sismiques à l'intérieur du globe permet à Gutemberg de déterminer les dimensions du noyau (Gutemberg, 1913 ↓ ). L'absence de propagation des ondes transversales de cisaillement (ondes P) à travers les couches profondes indique que le noyau est liquide (Gutemberg, 1926 ↓ ). Le perfectionnement des sismographes permet en 1936 d'observer des ondes P de faible amplitude (notées PKIKP) à l'intérieur de la zone d'ombre. La danoise Inge Lehmann en déduit l'existence d'une réflexion de ces ondes sur une surface située à 5100 km de profondeur, séparant la partie centrale du noyau, solide, de son extérieur liquide (Lehmann, 1936 ↓ ).

Le fonctionnement de la boussole est d'abord expliqué en comparant la Terre à un gigantesque aimant (Gilbert, 1600 puis Gauss, 1838). Mais les températures exigées par la présence de fer à l'état liquide dans le noyau sont incompatibles avec l'explication par le magnétisme rémanent du fer (point de Curie=770°C). En 1939, William Elsasser propose la théorie de la dynamo, déjà développée par J. Larmor pour expliquer le champ magnétique généré par le Soleil (Elsasser,1939 ↓ ) : le champ magnétique terrestre trouve son origine dans des courants turbulents animant la partie liquide du noyau, combinés à la rotation journalière de la Terre. Cette théorie reste encore extrêmement floue.

()  Wiechert E.. 1898. Verhandlungen Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Ärtze, vol. 68 : 42-43.
() Gutemberg B.. 1913. Physikalische Zeitschrift, vol. 14 : 1227-1218.
() Gutemberg B.. 1926. Zeitschrift Geophysik, vol. 2 : 24-29.
() Lehmann I.. 1936. Publication du Bureau Central Séismologique International, Series A, vol. 14 : 3.
() Elsasser W.. 1939. Physical Review, vol. 55 : 489-498.

Origine de la chaleur

Les idées sur la production de chaleur sont en partie liées aux calculs de l'âge de la Terre : Seule la découverte de la radioactivité, au début du 20ème siècle, mettra fin à cette polémique en fournissant à la fois une source de chaleur acceptable aux yeux des physiciens et un moyen de datation absolue basé sur les proportions des isotopes (Rutherford).

Par exemple un noyau lourd comme celui de l'uranium 238 se transforme en thorium en émettant un noyau d'hélium :
238U → 234Th + 4He
Le thorium étant lui même instable se désintégre, et on aboutit finalement au plomb.

Il convient de ne pas confondre ces désintégrations radioactives avec la fission comme par exemple celle de l'uranium 235; la fission d'un noyau d'uranium 235 produit des neutrons qui peuvent à leur tour provoquer la fission d'autres noyaux d'uranium 235 : cette réaction en chaîne est utilisée dans les réacteurs nucléaires et produit considérablement plus d'énergie que la désintégration radioactive. Pour la plupart des géologues, les masses cumulées des éléments radioactifs sont suffisantes pour expliquer le flux de chaleur constaté par des désintégrations radioactives, sans faire intervenir des réactions de fission. Au contraire, J. M. Herndon, pense que la concentration en uranium 235 du noyau est suffisante pour que se déclenchent des réactions de fission (Herndon, 2003 ↓ ).

() Badash L.. 1989. Le débat sur l'âge de la Terre. Pour la science 144 : 72-77.
() Deparis V.. 2001. Quel âge a la Terre ? www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Histoire/Temps/Articles/histoireage.htm
() Herndon J. M.. 2003. Nuclear georeactor origin of oceanic basalt 3He / 4He, evidence, and implications. Proc Natl Acad Sci U S A. 2003 March 18; 100 (6): 3047–3050. www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=152243

Discussion

Parmi les problèmes non résolus :
() Foulger G.. The origin of hotspot volcanism. www.mantleplumes.org/
() Courtillot V.. 1992. La Recherche 246.

Anciens manuels scolaires

Le feu central
«Il est donc probable que la masse centrale du globe est encore actuellement à l'état de fusion ignée, recouverte par la croûte solide à la surface de laquelle nous vivons et dont l'épaisseur ne doit pas dépasser 40 à 50 km.
(...)
Ainsi la forme sphéroïdale du globe, l'accroissement progressif de la température à mesure que l'on s'enfonce dans la profondeur du sol, les bouleversements anciens et gigantesques dont sa surface a été le théâtre, les tremblements de terre et les éruptions volcaniques qui l'agitent encore, sont des preuves irrécusables que le globe terrestre a été autrefois dans un état complet d'incandescence, et que, perdant par le rayonnement dans l'espace une partie de sa chaleur primitive, sa surface s'est peu à peu consolidée, de manière à former la croûte mince que nous habitons, et qui recouvre un océan de feu.»
Langlebert J. vers 1882. Histoire naturelle, 45e édition. Delalin, Paris : 530.

La théorie de "la pomme ridée"
Aubert, 1902
«Une fois isolée dans l'espace, la masse gazeuse de la Terre s'est refroidie en y rayonnant de la chaleur; en son milieu s'est condensée une partie liquide, noyau central incandescent entouré d'une atmosphère gazeuse épaisse.
Puis la surface du noyau liquide, plus exposée au refroidissement que la partie profonde, s'est solidifiée en formant une croûte, l'écorce terrestre, composée alors de roches ignées ou cristallines. Cette écorce, primitivement sphérique, s'est plissée par la contraction lente du noyau central.»

Aubert A. vers 1902. Histoire naturelle élémentaire, 17 édition, à l'usage des élèves (classes de sixième et cinquième) . André, Paris : 381.


de Montille, 1921
«la Terre perd continuellement de la chaleur, et comme le noyau fluide, par suite de ce refroidissement se contracte, se rapetisse plus que l'écorce solide qui l'enveloppe, celle-ci devenue trop large est obligée de se plisser pour suivre la contraction de la masse fluide, son support.»

De Montille S. N.. 1921. Notions de Géologie pour l'enseignement secondaire des jeunes filles. Alcan, Paris : 220-221.


Magma et noyau central
Chadefaud M., 1940
Chadefaud M. Régnier V. 1940. Sciences naturelles. Delagrave, Paris : 231.


 Quelques énoncés dans les programmes scolaires français

Les énoncés reproduits visent à donner une impression d'ensemble et ne constituent qu'une partie des libellés.

Programme du cycle 3 (2.1) : «*manifestations de l'activité de la Terre (volcans, séismes)»

Programme du cycle central du collège (2.2) : «Les séismes résultent d’une rupture brutale des roches en profondeur et se manifestent par des déformations à la surface de la Terre. Les séismes sont particulièrement fréquents dans certaines zones de la surface terrestre. Le volcanisme est l’arrivée en surface de matière minérale en fusion : le magma. Les volcans actifs sont répartis de façon irrégulière à la surface du globe, sur les continents et dans les océans.

La partie externe de la Terre est formée de plaques animées d’un mouvement permanent. La répartition et les caractères des séismes et des manifestations volcaniques permettent de délimiter les plaques. Les variations de la vitesse des ondes sismiques en profondeur permettent de distinguer la lithosphère, rigide, de l’asthénophère qui l’est moins. A raison de quelques centimètres par an, les matériaux des plaques se forment et s’écartent à l’axe des dorsales, se rapprochent et s’enfouissent aux frontières de convergence. Une partie importante de l'énergie responsable du mouvement des plaques provient de matériaux radioactifs présents en profondeur. Ces mouvements assurent le déplacement des continents, l’ouverture et la fermeture des océans.»

Programme de première S (2.4) : « L'étude de la propagation des ondes sismiques montre que la Terre est structurée en enveloppes concentriques. Seuls les matériaux de la croûte et du manteau supérieur sont observables à la surface de la Terre. On peut néanmoins, par des modèles et des raisonnements qui tiennent compte de la formation de la Terre à partir des chondrites, préciser les compositions du manteau profond et du noyau.

Différentes données géologiques (âges des sédiments des fonds océaniques, alignement des volcans de points chauds, anomalies magnétiques) permettent de reconstruire les directions et les vitesses des mouvements des plaques ainsi que leurs variations pour les 180 derniers millions d'années de l'histoire de la Terre. Les dorsales océaniques sont le siège d'une production importante de magma : de l'ordre de 20 km3 par an. Ces magmas sont issus de la fusion partielle des péridotites du manteau induite par décompression. Ils sont de nature basaltique. La fusion partielle leur donne une composition chimique différente de celle de la roche source. Le refroidissement plus ou moins rapide des magmas conduit à des roches de textures différentes (basaltes/gabbros). En s'éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique se refroidit, s'hydrate et s'épaissit. Les marges passives des continents sont structurées par des failles normales et sont le siège d'une sédimentation importante. Elles ont enregistré l'histoire précoce de la rupture continentale et de l'océanisation. L'activité des failles normales, héritage de rifts continentaux, témoigne de l'amincissement de la lithosphère et de sa subsidence.

La fabrication de la lithosphère océanique, la subduction et les mouvements des plaques lithosphériques sont les manifestations d'une convection thermique à l'état solide du manteau (transport de chaleur par mouvement de matière). Les dorsales océaniques traduisent des courants montants chauds de matériel du manteau. Les plaques en subduction traduisent des courants descendants froids.

Le magmatisme lié aux points chauds marque la remontée ponctuelle de matériel du manteau profond. Il s'exprime par des éruptions massives de laves basaltiques (plateaux océaniques, trapps, alignements insulaires).»

Programme de terminale S (2.5) : «Les zones de subduction sont le siège d’une importante activité magmatique caractéristique : volcanisme, mise en place de granitoïdes. Le magma provient de la fusion partielle des péridotites au-dessus du plan de Bénioff, témoignant de transformations minéralogiques dans les cette fusion est due à l’hydratation du manteau. L’eau provient de la déshydratation des roches de la plaque plongeante. Le long du plan de Bénioff, les roches de la lithosphère océanique sont soumises à des conditions de pression et de température différentes de celles de leur formation. Elles se transforment et se déshydratent. Des minéraux caractéristiques des zones de subduction apparaissent.

La collision résulte de la convergence de deux lithosphères continentales. Elle fait suite en général à une subduction et conduit à la formation d’une chaîne de montagnes.»

(2.1) A. du 25-1-2002 . JO du 10-2-2002. Horaires et programmes de l'école primaire. BO 1 hors série. Ministère de l'Education Nationale. www.education.gouv.fr/bo/2002/hs1/som.htm
(2.2) BO n°10 du 15/10/1998
(2.3)  A. du 10-7-2001. JO du 19-7-2001. Programmes d'enseignements communs des sciences de la vie et de la Terre . BO 2 Hors série . Ministère de l'Education Nationale. www.education.gouv.fr/bo/2001/hs2/seconde1.htm
(2.4)  A. du 1-7-2002. JO du 10-7-2002. Programme . BO 6 Hors série . Ministère de l'Education Nationale. http://www.education.gouv.fr/bo/2002/hs6/default.htm
(2.5) A. du 20-7-2001. JO du 4-8-2001. Programme . BO 11 Hors série 2002. Ministère de l'Education Nationale. ftp://trf.education.gouv.fr/pub/edutel/bo/2002/hs11/annexe.pdf

Conceptions d'élèves de 1ère S

Les schémas qui suivent ont été obtenues par la consigne : "Représentez la structure de la Terre. Votre schéma doit expliquer l'origine de la lave émise par les volcans", dans une classe de première S en début d'année.

conception d'élève
Maude
conception d'élève
Rudy
conception d'élève
Sarah
conception d'élève
Tom
Le magma a pour origine le centre de la Terre (constitué de liquide) : 15 élèves / 23. Le centre de la Terre est surdéterminé avec l'idée de "centre organisateur".

Dans la réponse de Sarah les séismes naissent aussi au centre.

La conception de Tom intègre sans doute des acquis scolaires: le centre de la Terre est solide, mais entouré d'une couche liquide (ce que nous appellerions le noyau externe); cepndant, ici, c'est cette couche qui alimente les volcans.
conception d'élève
Julien
conception d'élève Graham
Le magma a pour origine la couche située entre le noyau et l'écorce 8 / 23

Généralement, toute cette zone est cependant fondue (liquide).

Pour Graham, les frottements entre couches provoquent la fusion des roches de la zone intermédiaire : ici la zone fondue est bien plus limitée.
Quelques conceptions complémentaires.
Les volcans se localisent sur des fractures, à la limite des plaques :
conception d'élève
Florian

conception d'élève
Ghislaine
Cette conception reprend quelques éléments de la théorie de la pomme ridée (avec l'idée de contraction en moins) et n'est pas non plus en contradiction avec le modèle actuel, au moins celui des dorsales.


Allain J.-C.. 1995. Séismes, éruptions volcaniques, intérieur de la Terre  : conceptions d'enfants de huit à dix ans. IUFM de Dijon.
Laperriere Tacussel M.. 1995. Le volcanisme du cours moyen à l'IUFM. Aster 20 : 61-83
Orange C.. 1995. Volcanisme et fonctionnement interne de la Terre. Aster 20 : 85-103.
DeLaughter J.. 1998. Rocks for Jocks: Preconceptions about the Earth. www.earth.northwestern.edu/people/seth/Test/index.html

 Références générales

Jean-Louis Roubaud J.-L.. 2000. recherche.aix-mrs.iufm.fr/coll/mrs2000/colloque/textes/roubaud.html