Géographie

Structure de la Terre : les 4 couches en 8 exercices

Croûte, manteau, noyau externe et noyau interne : profondeurs, températures, et ce que les ondes sismiques révèlent. Tableaux, modèle à l'échelle, 8 exercices.

Recommandé pour: 6e · 5e

La Terre n’est pas une boule de roche homogène : elle est formée de quatre couches concentriques de compositions et d’états physiques différents. De la surface vers le centre, ce sont la croûte, le manteau, le noyau externe et le noyau interne, pour un rayon total de 6 371 km.

Le détail le plus frappant est la proportion. La croûte, seule couche que nous ayons forée, représente environ 0,55 % du rayon — exactement la proportion qu’a la peau sur une pomme. Tout ce que nous connaissons directement de la planète se trouve dans cette pellicule.

Les quatre couches en chiffres

Couche	Profondeur	Épaisseur	État	Composition
croûte	0 - 35 km	35 km (5-10 km sous les océans)	solide	silicates, granite et basalte
manteau	35 - 2 900 km	2 865 km	solide mais déformable	silicates de fer et de magnésium
noyau externe	2 900 - 5 150 km	2 250 km	liquide	fer et nickel
noyau interne	5 150 - 6 371 km	rayon de 1 221 km	solide	fer et nickel

Les deux limites les plus importantes portent le nom de ceux qui les ont découvertes : la discontinuité de Mohorovičić (le « Moho »), entre croûte et manteau, et la discontinuité de Gutenberg, entre manteau et noyau, à 2 900 km.

Température et pression

Profondeur	Température approximative
surface	15 °C
5 km	environ 165 °C
fond du forage de Kola (12,3 km)	environ 180 °C (mesuré)
base de la croûte (35 km)	500-900 °C
base du manteau (2 900 km)	environ 3 500 °C
centre de la Terre	5 000-6 000 °C

Près de la surface, le gradient géothermique vaut environ 30 °C par kilomètre, mais il n’est pas constant : s’il l’était, il ferait 384 °C au fond du forage de Kola, alors que la mesure a donné environ 180 °C. C’est un bon exemple de modèle linéaire valable sur un intervalle court et faux dès qu’on l’étend, comme le montre l’exercice 5.

Pourquoi le noyau interne est solide

Cela paraît contradictoire : le noyau interne est la partie la plus chaude de la planète et il est pourtant solide, alors que la couche au-dessus de lui est liquide. L’explication est la pression. Au centre, elle est si élevée que les atomes de fer ne peuvent pas s’écarter assez pour former un liquide, même à 6 000 °C. La température tend à faire fondre, la pression tend à solidifier, et dans le noyau interne c’est la pression qui gagne.

Le noyau externe liquide, entraîné par la rotation de la planète, engendre des courants électriques qui produisent le champ magnétique terrestre — celui qui oriente la boussole et dévie une partie du rayonnement solaire.

Comment on le sait : les ondes sismiques

Nous ne sommes jamais arrivés près du manteau. Le record de forage est le forage superprofond de Kola, en Russie, avec 12 262 m atteints en 1989 : environ 0,2 % du rayon terrestre, encore dans la croûte. Tout ce que nous savons des couches profondes vient des ondes sismiques produites par les séismes.

Type d’onde	Vitesse	Traverse les solides	Traverse les liquides
P (primaires, de compression)	6 km/s dans la croûte, 8 km/s dans le manteau	oui	oui
S (secondaires, de cisaillement)	environ 3,5 km/s	oui	non

Deux observations ont permis de démonter l’intérieur de la planète :

les ondes changent de vitesse en passant d’un matériau à un autre, ce qui permet de localiser chaque discontinuité. Mohorovičić a découvert le Moho en 1909 précisément parce que certaines ondes arrivaient avant l’heure prévue : elles avaient traversé un matériau plus rapide ;
les ondes S disparaissent dans une plage de distance appelée zone d’ombre, approximativement entre 103° et 142° de l’épicentre. Comme les ondes S ne se propagent pas dans les liquides, la conclusion était inévitable : il existe une couche liquide à l’intérieur, le noyau externe.

Tous les calculs de ce type reposent sur la même relation que le mouvement rectiligne uniforme : temps = distance ÷ vitesse, comme dans l’exercice 6.

Croûte et lithosphère ne sont pas la même chose

Cette distinction sépare ceux qui ont compris le chapitre de ceux qui ont appris les noms par cœur.

Division	Critère	Ce qu’elle comprend	Épaisseur
croûte	composition chimique	la croûte seule	5-70 km
lithosphère	comportement rigide	croûte + manteau supérieur rigide	jusqu’à environ 100 km
asthénosphère	comportement plastique	partie du manteau sous la lithosphère	environ 100-350 km

Les plaques tectoniques sont des morceaux de lithosphère, pas de croûte : c’est pour cela qu’elles emportent un peu de manteau et peuvent glisser sur l’asthénosphère. La France métropolitaine se trouve loin d’une limite de plaques très active, mais la collision entre la plaque africaine et la plaque eurasienne y a soulevé les Alpes et les Pyrénées, et elle explique la sismicité modérée des Alpes, de la Provence et du fossé rhénan.

Le volume, pas seulement l’épaisseur

Couche	% du rayon	% du volume
croûte	0,55 %	environ 1,6 %
manteau	45 %	environ 82 %
noyau (externe + interne)	54,5 %	environ 16 %

Les deux colonnes ne sont pas proportionnelles, car le volume dépend du cube du rayon : une couche externe et mince englobe peu de volume, tandis que le noyau, bien que sphère « petite », compte beaucoup. Faire les deux calculs aide à distinguer épaisseur et volume, et l’exercice 7 en donne le détail. Si la notion de rapport et de pourcentage n’est pas encore solide, il vaut mieux revoir les pourcentages.

Les erreurs les plus fréquentes

Confondre croûte et lithosphère. La lithosphère comprend la croûte plus la partie rigide du manteau. Les plaques tectoniques sont faites de lithosphère.
Croire que le manteau est liquide. Le manteau est solide ; il se déforme seulement très lentement, à l’échelle de millions d’années. Le seul liquide est le noyau externe. La preuve : les ondes S traversent le manteau.
Croire que le magma vient du noyau. Le magma se forme dans des poches de la croûte et du manteau supérieur, à quelques dizaines de kilomètres, pas à 3 000 km.
Inverser les états du noyau. Externe liquide, interne solide. L’interne est plus chaud, mais la pression le maintient solide.
Appliquer le gradient de 30 °C/km à n’importe quelle profondeur. Il ne vaut que pour les premiers kilomètres : extrapolé, il donne des températures fausses, comme le montre le cas de Kola.
Confondre épaisseur et volume. La croûte fait 0,55 % du rayon mais environ 1,6 % du volume : les deux pourcentages diffèrent parce que le volume varie en r³.
Additionner les profondeurs au lieu de les soustraire. L’épaisseur du manteau est 2 900 - 35 = 2 865 km, et non 2 900 + 35.

Dans les huit exercices ci-dessous la difficulté augmente et aucun ne réutilise la méthode du précédent. Les quatre premiers portent sur l’ordre, les épaisseurs et les pourcentages des couches ; le cinquième utilise le gradient géothermique et montre pourquoi il ne peut pas être extrapolé ; le sixième calcule des temps de propagation des ondes P et relie le résultat à la découverte du Moho ; le septième passe des épaisseurs aux volumes, avec le cube du rayon ; le huitième construit le modèle à l’échelle du mètre, où toute la croûte se réduit à 5,5 mm.

Exercices corrigés

1. Ranger les quatre couches de la Terre dans l'ordre, de la surface vers le centre, et indiquer la profondeur à laquelle chacune commence et se termine. base

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Je commence par la surface : la croûte est la couche la plus externe et va de 0 à environ 35 km en moyenne sous les continents.
En dessous vient le manteau, qui s'étend de 35 km à 2 900 km de profondeur.
Puis le noyau externe, de 2 900 km à 5 150 km.
Au centre, le noyau interne, de 5 150 km à 6 371 km, qui est le rayon de la Terre.
Vérification : la dernière profondeur doit coïncider avec le rayon terrestre, 6 371 km. C'est le cas.

Réponse: Croûte (0-35 km), manteau (35-2 900 km), noyau externe (2 900-5 150 km) et noyau interne (5 150-6 371 km).

2. Le rayon de la Terre est de 6 371 km et la croûte continentale mesure environ 35 km d'épaisseur. Quel pourcentage du rayon la croûte représente-t-elle ? Quelle comparaison du quotidien illustre ce résultat ? base

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Je divise l'épaisseur par le rayon : 35 ÷ 6 371 = 0,00549.
Je multiplie par 100 pour obtenir un pourcentage : 0,00549 × 100 = 0,549 %.
Arrondi, environ 0,55 % du rayon.
Pour comparer, une pomme de 4 cm de rayon aurait une peau proportionnelle de 0,0055 × 40 mm = 0,22 mm.
C'est bien l'épaisseur d'une vraie peau de pomme : la comparaison tient parce que la proportion est la même.

Réponse: Environ 0,55 % du rayon. La croûte est à la Terre ce que la peau est à une pomme — et c'est la seule couche que nous ayons forée.

3. Le manteau s'étend de 35 km à 2 900 km de profondeur. Calculer son épaisseur et le pourcentage du rayon terrestre qu'elle représente. base

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L'épaisseur est la différence des deux profondeurs : 2 900 - 35 = 2 865 km.
Je compare au rayon : 2 865 ÷ 6 371 = 0,4497.
En pourcentage : 0,4497 × 100 = 44,97 %.
Arrondi, environ 45 % du rayon.
Contrôle de bon sens : le manteau est de loin la couche la plus épaisse, et 45 % du rayon le confirme.

Réponse: Une épaisseur de 2 865 km, soit environ 45 % du rayon terrestre.

4. Calculer l'épaisseur du noyau externe (de 2 900 km à 5 150 km) et le rayon du noyau interne. Calculer ensuite le rayon du noyau dans son ensemble. base

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Épaisseur du noyau externe : 5 150 - 2 900 = 2 250 km.
Le noyau interne va de 5 150 km de profondeur jusqu'au centre, à 6 371 km.
Comme c'est une sphère au milieu, son rayon vaut 6 371 - 5 150 = 1 221 km.
Le noyau entier commence à 2 900 km de profondeur, donc son rayon est 6 371 - 2 900 = 3 471 km.
Vérification : 3 471 = 2 250 + 1 221. Les deux parties reconstituent bien le noyau complet.

Réponse: Noyau externe de 2 250 km d'épaisseur, noyau interne de 1 221 km de rayon, noyau complet de 3 471 km de rayon.

5. Le gradient géothermique moyen dans la croûte est d'environ 30 °C par kilomètre et la température de surface de 15 °C. (a) Quelle température le modèle prévoit-il à 5 km ? (b) Et à 12,3 km, profondeur du forage le plus profond jamais réalisé ? (c) La mesure réelle au fond de ce forage a donné environ 180 °C. Qu'est-ce que cela montre ? intermedio

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(a) Modèle linéaire : température = 15 + 30 × profondeur en km.
À 5 km : 15 + 30 × 5 = 15 + 150 = 165 °C.
(b) À 12,3 km : 15 + 30 × 12,3 = 15 + 369 = 384 °C.
(c) La mesure réelle a donné environ 180 °C, moins de la moitié du résultat prévu.
Je calcule le gradient réel : (180 - 15) ÷ 12,3 = 165 ÷ 12,3 = 13,4 °C par km.
Conclusion : le gradient de 30 °C/km ne vaut que pour les premiers kilomètres et diminue avec la profondeur. Le modèle linéaire est utile près de la surface et devient faux si on l'étend trop loin.

Réponse: (a) 165 °C ; (b) 384 °C selon le modèle ; (c) la mesure réelle de 180 °C montre que le gradient n'est pas constant : il tombe à environ 13 °C/km en moyenne sur 12 km, et extrapoler un modèle linéaire conduit à l'erreur.

6. Une onde sismique P se propage à environ 6 km/s dans la croûte et à environ 8 km/s dans le manteau supérieur. Combien de temps met-elle pour traverser 35 km de croûte ? Et si elle traversait les mêmes 35 km à la vitesse du manteau ? Quelle est la différence ? intermedio

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J'utilise la relation du mouvement uniforme : temps = distance ÷ vitesse.
Dans la croûte : 35 km ÷ 6 km/s = 5,83 s.
À la vitesse du manteau : 35 km ÷ 8 km/s = 4,38 s.
Différence : 5,83 - 4,38 = 1,45 s.
Interprétation : ce changement brusque de vitesse est ce qui a permis de découvrir la limite entre croûte et manteau, appelée discontinuité de Mohorovičić.
Andrija Mohorovičić a remarqué en 1909 que certaines ondes arrivaient plus tôt que prévu : elles avaient traversé un matériau plus rapide, juste sous la croûte.

Réponse: 5,83 s dans la croûte et 4,38 s à la vitesse du manteau, soit une différence de 1,45 s. C'est précisément cette avance inattendue qui a révélé la limite croûte-manteau.

7. En utilisant le modèle de la sphère, calculer le pourcentage du volume de la Terre occupé par le noyau (rayon 3 471 km) puis par la croûte (35 km d'épaisseur), avec un rayon terrestre de 6 371 km. En déduire celui du manteau. avanzato

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Le volume d'une sphère est proportionnel au cube du rayon, donc le rapport de deux volumes est le cube du rapport des rayons.
Noyau : (3 471 ÷ 6 371)³ = 0,5448³ = 0,1617, soit 16,2 % du volume.
Pour la croûte, je calcule d'abord le volume de tout ce qui est en dessous, c'est-à-dire une sphère de rayon 6 371 - 35 = 6 336 km.
(6 336 ÷ 6 371)³ = 0,99451³ = 0,98361, soit 98,36 %.
La croûte est ce qui reste : 100 - 98,36 = 1,64 % du volume.
Le manteau est le complément : 100 - 16,2 - 1,64 = 82,2 %.
Remarque : les manuels citent souvent environ 1 % pour la croûte et 84 % pour le manteau, car ils utilisent une épaisseur moyenne plus faible, incluant la croûte océanique (5 à 10 km). Avec 35 km, valeur continentale, le modèle donne 1,6 %.

Réponse: Noyau environ 16,2 %, croûte environ 1,6 % et manteau environ 82,2 % du volume. La croûte est mince en épaisseur et presque négligeable en volume, mais c'est là que tout se passe.

8. Imaginer la Terre réduite à une boule de 1 mètre de rayon. Calculer l'épaisseur de chaque couche dans ce modèle à l'échelle et dire quel résultat surprend le plus. avanzato

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L'échelle est donnée par le rapport 1 m : 6 371 km, je divise donc chaque mesure par 6 371 et je multiplie par 1 mètre.
Croûte : 35 ÷ 6 371 = 0,0055 m = 5,5 mm.
Manteau : 2 865 ÷ 6 371 = 0,4497 m = 45,0 cm.
Noyau externe : 2 250 ÷ 6 371 = 0,3532 m = 35,3 cm.
Noyau interne (rayon) : 1 221 ÷ 6 371 = 0,1916 m = 19,2 cm.
Vérification : 0,55 + 45,0 + 35,3 + 19,2 = 100,05 cm, soit 1 mètre à l'arrondi près. C'est cohérent.
Le plus surprenant : sur une boule de 1 mètre de rayon, toute la croûte — océans, montagnes, villes et racines des chaînes comprises — tiendrait dans 5,5 mm, moins que l'épaisseur d'une pièce de 2 euros.

Réponse: Croûte 5,5 mm, manteau 45,0 cm, noyau externe 35,3 cm et noyau interne 19,2 cm de rayon. La somme fait bien 1 mètre, et la croûte entière ne dépasse pas le demi-centimètre.

Questions fréquentes

Quelles sont les couches de la Terre et leurs profondeurs ?

Quatre, de la surface vers le centre : la croûte, de 0 à environ 35 km sous les continents (5 à 10 km sous les océans) ; le manteau, de 35 km à 2 900 km ; le noyau externe, de 2 900 km à 5 150 km ; et le noyau interne, de 5 150 km au centre, à 6 371 km. Les deux limites principales portent un nom : discontinuité de Mohorovičić entre croûte et manteau, discontinuité de Gutenberg entre manteau et noyau.

Comment sait-on ce qu'il y a à l'intérieur de la Terre sans y être allé ?

Grâce aux ondes sismiques. Elles changent de vitesse et de direction en passant d'un matériau à un autre, et les ondes S ne traversent pas les liquides. En relevant dans des milliers de stations l'heure d'arrivée de chaque onde et celles qui disparaissent, on a reconstitué les couches. Le forage le plus profond jamais réalisé, celui de Kola, a atteint 12 262 m — environ 0,2 % du rayon terrestre.

Pourquoi le noyau externe est-il liquide et le noyau interne solide, alors que l'interne est plus chaud ?

À cause de la pression. Au centre de la Terre, elle est si forte que le fer reste solide même à 5 000 ou 6 000 °C. Dans le noyau externe, la pression est plus faible et le fer peut rester liquide. La preuve vient des ondes S : elles traversent le manteau solide, s'arrêtent au noyau externe liquide, et le noyau interne est détecté indirectement.

Quelle est la différence entre croûte et lithosphère ?

La croûte est une division par composition chimique, la lithosphère une division par comportement mécanique. La lithosphère est la couche rigide qui se casse en plaques tectoniques et comprend la croûte PLUS la partie la plus externe du manteau, jusqu'à environ 100 km. En dessous se trouve l'asthénosphère, plus plastique, sur laquelle les plaques glissent. Confondre croûte et lithosphère est l'erreur la plus fréquente du chapitre.

Quelle est la couche la plus épaisse ?

Le manteau, avec 2 865 km d'épaisseur, soit environ 45 % du rayon terrestre et plus de 80 % du volume de la planète. La croûte est la plus mince : environ 0,55 % du rayon, aussi mince en proportion que la peau d'une pomme.