Structure principale

Structure détaillée :
(1) Croûte continentale
(2) Croûte océanique
(3) Subduction
(4) Manteau supérieur
(5) Point chaud
(6) Manteau inférieur
(7) Panache
(8) Noyau externe
(9) Noyau interne
(10) Cellule de convection
(11) Lithosphère
(12) Asthénosphère
(13) Discontinuité de Gutenberg
(14) Discontinuité de Mohorovicic
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Structures secondaires

Tableau récapitulatif

Caractéristique : la chaleur interne

Dimensions respectives des couches et températures approximatives qui y règnent. Les températures du noyau évolueraient entre 3 800 °C et 5 500 °C selon la profondeur^[9].

Évolution de la puissance thermique radiogénique au cours du temps dans les couches internes de la Terre.

La chaleur interne de la Terre est produite par la radioactivité naturelle des roches par désintégration de l'uranium, du thorium et du potassium^[10]. Les études estiment que la contribution de la radioactivité crustale et mantellique représente approximativement la moitié de l’énergie totale dégagée, celle de la chaleur primordiale transmise du noyau de la Terre vers le manteau étant évaluée à 10 et jusqu'à 20 %^[11].

Globalement, la température s'élève avec la proximité au centre de la Terre. À titre indicatif, elle varie entre 1 100 °C à la base de la croûte continentale à probablement 5 100 °C dans le noyau.

Les températures ne peuvent être mesurées rigoureusement : elles sont approximatives, la marge d'erreur grandissant avec la profondeur.

À partir de 2 900 km de profondeur, là où la pression commence à dépasser 1 million d’atmosphères, soit 100 Gigapascals, la chaleur interne joue au moins deux rôles majeurs :

• en entretenant ou modifiant les mouvements convectifs du manteau, qui explique la tectonique des plaques et la dérive des continents ;
• en entretenant le champ magnétique terrestre^[9].

Investigations directes

Forages profonds

Site du forage de Kola en 2007.

L’objectif des forages profonds est de mieux connaître la lithosphère et d’atteindre la zone de transition entre celle-ci et le manteau supérieur : le Moho.

Deux exemples : le programme KTB (Kontinental Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik), qui a atteint 9 800 mètres sous l’Allemagne, et le forage sg3 de 12 600 mètres dans la péninsule de Kola (Russie) qui a duré de 1970 à 1989. À cette profondeur, la température observée était de 180 °C alors que l'on s'attendait plutôt à une température de l'ordre de 200 °C. Le gradient géothermique de 1 °C/60 m (la température s'élève avec la profondeur en moyenne de 1 °C tous les 60 m) y est deux fois plus faible que celui mesuré par la plupart des sondages^[12].

Si ces forages ont permis de confirmer la structure et la composition de la croûte, ou de tracer des profils sismiques régionaux, ils ne dépassent pas la croûte terrestre, ce qui ne représente même pas la peau d'une orange mise à l'´échelle de la planète.

La croûte océanique étant plus mince que les plaques continentales, plusieurs projets de forage océanique ont vu le jour, MOHOLE puis DSP^[13] (1968-1983) aux États-Unis, puis des programmes internationaux comme ODP^[14] (1985-2003) et IODP^[15] (2003-2013). Pour l'instant, aucun navire n’a encore réussi à forer jusqu’à la discontinuité de Mohorovičić.

Sismologie

Types d'ondes

Les ondes étudiées dans la tomographie sismique sont les ondes de fond qui parcourent le globe terrestre dans toutes les directions. Les ondes de surface, qui causent les dégâts aux constructions humaines, ne se propagent que dans la croûte et ne donnent aucune information sur les couches profondes.

Les ondes sont de deux types : P et S. Certaines ondes arrivent rapidement : ce sont les ondes P (comme Premières) ; d’autres sont retardées et sont enregistrées plus tard : ce sont les ondes S (comme Secondes).

Ondes P.	Les ondes P sont des vibrations qui agissent en compression : les particules se déplacent dans le sens de propagation de l’onde, un peu comme dans un ressort. Ces ondes de compression se propagent dans les solides, les liquides et les gaz.
Ondes S.	Les ondes S sont des ondes de cisaillement : les particules se déplacent perpendiculairement au sens de propagation de l’onde, un peu comme une oscillation sur une corde. Ces ondes de cisaillement se propagent dans les solides mais pas dans les milieux liquides ou gazeux.

Interprétation des graphes

Le manteau, l'asthénosphère et la lithosphère dans le cadre du modèle PREM.

Lorsqu’une onde P arrive non-perpendiculairement sur une zone de transition (interface manteau-noyau par exemple) une petite partie de son énergie est convertie dans une autre forme d’onde (une fraction de P devient alors S). L’interprétation des relevés sismographiques est donc ardue car s’y chevauchent les tracés de nombreux types d’ondes qu’il faut démêler et dont on doit expliquer l’origine.

Toutes ces ondes sont désignées par des lettres différentes qu’on peut ensuite combiner au fur et à mesure de leur évolution (voir tableau ci-dessous).

Nomenclature des ondes de volume

	onde P	onde S
manteau	P	S
noyau externe	K
noyau interne	I	J

Ainsi une onde PP est une onde P qui, après avoir subi une réflexion à la surface du globe terrestre, est restée dans le manteau avant de réapparaître en surface où elle est détectée. Une onde PKP est une onde P qui ressort en surface après avoir traversé le noyau externe liquide (trajet = manteau / noyau ext. / manteau).

L’appellation peut être allongée autant que nécessaire. Par exemple, une onde quasi verticale traversant le globe terrestre de part en part après avoir rebondi à la surface et être passée deux fois (à l’aller et au retour) par le noyau et la graine, et enfin réapparaissant à la surface, sera appelée PKIKPPKIKP.

Géomagnétisme

Sous l'effet de sa rotation et des mouvements internes des métaux en fusion de son noyau, la Terre se comporte comme une sorte de dynamo, dont résulte un champ magnétique. Celui-ci est peu important par rapport aux aimants industriels, mais est suffisant pour dévier l’aiguille d'une boussole et protéger en partie la surface terrestre de rayons cosmiques, comme ceux des vents solaires, qui perturberaient sinon les appareils électroniques.

Ce champ varie dans le temps. Dans la vie de la Terre, il s’est même inversé des centaines de fois, pour des raisons encore méconnues, mais qui occupent une recherche active. Celle-ci n'a pas pour le moment permis de mettre en évidence un effet dynamo dans une sphère en rotation lente, mais a montré la formation de colonnes de convection à certaines températures selon la viscosité des fluides et la vitesse de rotation. Ces mouvements sont apparemment compatibles avec ce que nous connaissons du champ électromagnétique terrestre.

Observation des neutrinos

Étude des météorites

Afin de comprendre comment les couches successives de la Terre se sont progressivement différenciées, il est utile de connaître la composition exacte du matériau primitif qui lui a donné naissance.

Ses éléments indispensables sont le fer, le nickel et les silicates. On retrouve ces éléments (et plusieurs autres) dans un type de météorites appelé chondrites. Elles contiennent des petites zones sphériques de silicates solidifiés après fusion, les chondres, dont le nom est à l’origine de l’appellation de ces météorites.

Certaines d’entre elles, comme la chondrite Allende, contiennent un mélange de fer métallique et d’oxyde de fer, ainsi qu’une grande quantité de carbone. D’autres, comme la chondrite d’Indarch, du fer métallique et de l’enstatite, un silicate de magnésium (MgSiO₃) extrêmement fréquent dans le manteau terrestre. Les météorites carbonées CI, plus primitives, montrent du fer totalement oxydé. Elles sont très proches par leur composition de la nébuleuse gazeuse qui donna naissance au système solaire il y a environ 4,57 milliards d’années, et à la Terre il y a 4,45 milliards d’années.

Parmi toutes ces chondrites, seules celles contenant 45 % d’enstatite présentent une composition chimique et isotopique en adéquation avec la densité et la nature profonde actuelle de la Terre (plusieurs couches de silicates légers et un noyau où ont migré les métaux plus lourds). Ces météorites ont une taille bien trop faible pour être différenciées : leurs éléments y sont restés répartis de façon relativement homogène.

De l’Antiquité au XVIII^e siècle : des explications inspirées

Aristote (IV^e siècle av. J.-C.) établit l'une des premières définition de la constitution terrestre. Pour lui, la Terre est constituée de terre et de roche entourée d’eau puis d’air. Viennent ensuite une couche de feu et les astres. Jusqu’à Copernic cette vision évoluera peu.

Mais au milieu du XVII^e siècle un foisonnement d’idées nouvelles apparaît. En 1644, René Descartes dans Les Principes de la philosophie présente la Terre comme un ancien soleil qui a gardé un noyau de type solaire, mais dont les couches externes ont évolué. Plusieurs couches se succèdent à partir du centre : roche, eau, air puis enfin une croûte extérieure en équilibre sur cet air. Cette croûte brisée a formé les reliefs et laissé passer l’eau venant des profondeurs qui a formé les mers et les océans. À la même époque, Athanasius Kircher postule lui aussi que le globe terrestre est un astre refroidi, mais qu'il contient sous la croûte une matière en fusion qui s’échappe parfois du centre par les volcans.

À la fin du XVII^e et au cours du XVIII^e siècle, une grande quantité d’hypothèses sont émises. William Whiston suggère une Terre issue d'une ancienne comète. John Woodward et Thomas Burnet proposent une Terre ayant été composée d’un mélange fluide qui s’est déposé par gravité au cours du temps. Edmund Halley conçoit une Terre creuse à plusieurs coques concentriques et noyau aimanté, séparés par du vide. Henri Gautier pense à une Terre totalement creuse où la fine croûte externe serait en équilibre entre gravité et force centrifuge.

Au XIX^e : les balbutiements d'une approche géologique

Avec l’essor de la géologie, les théories doivent être cohérentes avec l'observation et les mesures géophysiques.

Le peu d’influence des masses montagneuses sur la gravité locale tend à prouver que la Terre n’est pas creuse, invalidant les hypothèses antérieures. Dès le XVIII^e siècle, le léger aplatissement du globe aux pôles et la nature ignée de certaines roches font dire à Georges de Buffon que la Terre a été en fusion à son origine.

Au XIX^e siècle, la mesure de l’augmentation régulière de la température avec la profondeur dans les mines (1 °C pour 25 mètres) incite Joseph Fourier et Louis Cordier à extrapoler et déduire que le centre de notre planète est en fusion à une température de plusieurs milliers de degrés. L’origine de cette température est encore incertaine : on ne sait s'il s'agit d'un reste de la chaleur originelle conservée dans un globe terrestre en cours de refroidissement, ou bien s'il y a pu avoir élévation de la température interne de la Terre par des phénomènes physiques ou chimiques exothermiques. De plus, cette chaleur pourrait être suffisamment intense pour que toute la matière interne soit gazeuse au-delà d’une certaine profondeur.

Pour William Hopkins, la variation du point de fusion des roches en fonction de la pression fait une nouvelle fois pencher la balance en faveur d’un noyau solide.

Selon Lord Kelvin, le niveau très faible des mouvements du sol liés à la marée (évalué par comparaison avec la mesure précise des marées océaniques) plaide pour un globe aux propriétés d’un solide élastique, et non pas d’un fluide. Son modèle nécessite une partie centrale rigide pour expliquer la déformation due aux marées (14 jours de période)^[18].

Au XX^e : les données expérimentales entraînent une avalanche de découvertes

Au cours du XX^e siècle, la tomographie sismique, gagnant en précision, permet de faire plusieurs découvertes essentielles.

• En 1909, Andrija Mohorovičić met en évidence l'interface entre la croûte et le manteau. Cette discontinuité porte son nom, le plus souvent raccourci en « Moho ».
• En 1912, Beno Gutenberg place l’interface manteau / noyau à 2 900 km de profondeur grâce à l’étude des ondes P, donnant son nom à la discontinuité entre le manteau inférieur et le noyau externe.
• En 1926, Harold Jeffreys établit la fluidité du noyau métallique.
• En 1936, Inge Lehmann découvre la graine (ou noyau interne). C'est une partie métallique à l’intérieur du noyau « à 5 150 km de profondeur et 3,3 millions d’atmosphères de pression », la température est probablement à peu près celle qui est nécessaire à la fusion du fer à 330 GPa. Mais sa solidité sera établie plus tard.

Dans le même temps, de 1923 à 1952, d’autres géophysiciens (comme Adams, Williamson, Bullen, Birch) travaillent sur des équations permettant de déterminer la variation de la densité avec la profondeur et la pression qu’elle engendre.

Par ailleurs, l’analyse de la composition des roches terrestres et météoritiques, ainsi que la mesure de la densité moyenne du globe (5,5) influent sur plusieurs modèles où une fine croûte légère de silicates recouvre un noyau métallique volumineux plus dense.

Au XXI^e : la frontière du « très profond »

La recherche actuelle s'intéresse à une meilleure connaissance du « très profond ». En particulier, la nature et les propriétés exactes de la graine terrestre. Par exemple, sa température. En 2013, des résultats convergents expliquent les écarts antérieurs, selon lesquels la température du noyau évoluerait de 3 800 °C à 5 500 °C selon la profondeur.

Notes

Références

Filmographie

• Martin Williams, Inside Planet Earth, Pioneer production, diffusion M Discovery, 2009. Documentaire britannique adapté sous le titre Au cœur de la Terre", et diffusé sur chaîne française en juillet 2014. Une simple approche corrélative entre sciences géologiques et phénomènes de la vie terrestre, observables en surface, est conduite à travers une plongée virtuelle en quelques étapes vers le centre de la Terre.

Bibliographie

• N. Cabrol et E. Grin, La Terre et la Lune, Que sais-je ?, n° 875, PUF, 1998
• René Dars « La géologie », Que sais-je ?, n° 525, PUF, 2000
• Vincent Deparis et Hilaire Legros, « Voyage à l’intérieur de la Terre », CNRS Éditions, Paris, 2000
• Jean Goguel (s.d.d.) « Géophysique », La Pléiaden NRF Gallimard, 1971
• Gabriel Gohau, « Une histoire de la géologie, Le Seuil, 1990
• Maurice Krafft, « Les feux de la Terre », Gallimard, 1991
• Maurice Mattauer, « Ce que disent les pierres », Librairie Pour la Science, 1998
• Henri Claude Nataf et s.d. de Joël Sommeria, « La physique de la Terre », Belin CNRS Éditions, 2000
• Jules Verne, « Voyage au centre de la Terre », Hetzel, 1867
• Jean Paul Poirier, Les Profondeurs de la terre, Éditions Masson, coll. « Cahiers des sciences de l'univers », 1997, 2^e éd., 140 p. (ISBN 978-2-225-85223-7)

Article du magazine Pour la Science

• N^o 225 (1996), ALEXANDRESCU M. et HULOT G. « Voir le noyau »
• N^o 226 (1996), Rolf Emmermann, « Neuf kilomètres sous l’Allemagne »
• N^o 265 (1999), Maurice Mattauer, « Sismique et tectonique »
• N^o 318 (2004), Marianne Greff-Lefftze, « La Terre, une toupie au cœur liquide »
• N^o 318 (2004), Henri Claude Nataf, Dominique Jault, Daniel Brito et Philippe Cardin, « Le moteur de la dynamo terrestre »
• N^o 318 (2004), Sandro Scandolo et Raymond Jeanloz, « Au cœur des planètes »
• N^o 329 (2005), Marc Javoy, « La naissance de la Terre »

Articles connexes

• Unité structurale de la Terre
• Superpanache
• Manteau primitif

Liens externes

• Notice dans un dictionnaire ou une encyclopédie généraliste :

  • Britannica
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• Histoire de la découverte de la structure interne de la Terre au cours des siècles
• Structure de la Terre dans un aquarium — Astronoo