Structure de la Terre
La structure interne de la Terre est inaccessible a l'observation directe, car les forages les plus profonds n'atteignent que 12 km, soit moins de 0.2% du rayon terrestre (environ 6370 km). Les principales connaissances proviennent donc de l'etude in...
Cours
Introduction et methodes d'etude de la structure terrestre
La structure interne de la Terre est inaccessible a l'observation directe, car les forages les plus profonds n'atteignent que 12 km, soit moins de 0.2% du rayon terrestre (environ 6370 km). Les principales connaissances proviennent donc de l'etude indirecte des ondes sismiques, qui se propagent a travers le globe lors des tremblements de terre. Deux types d'ondes sont particulierement informatives : les ondes P (primaires ou de compression) qui sont les plus rapides (environ 6 km/s dans la croute) et se propagent dans tous les milieux, et les ondes S (secondaires ou de cisaillement) plus lentes (environ 3.5 km/s dans la croute) qui ne traversent pas les fluides. En analysant les temps d'arrivee et les trajectoires de ces ondes enregistrees par des sismographes repartis a la surface, les geophysiciens ont pu deduire l'existence de couches distinctes a l'interieur de la Terre. Cette methode, la sismologie, est comparable a une echographie medicale a l'echelle planetaire. Les variations brutales de vitesse ou les arrets de propagation des ondes revelent des discontinuites majeures separant les enveloppes concentriques de notre planete.
Les couches principales : croute, manteau et noyau
La Terre est structuree en trois enveloppes principales de composition chimique distincte, classees par densite croissante avec la profondeur. La couche la plus externe est la croute terrestre, tres mince (5 a 7 km sous les oceans, 30 a 70 km sous les continents) et de faible densite (environ 2.7 a 2.9). Elle est principalement composee de roches silicatées comme le granite (continental) et le basalte (oceanique). En dessous, le manteau s'etend jusqu'a 2900 km de profondeur et represente environ 84% du volume terrestre. Sa densite augmente progressivement de 3.3 a 5.7. Il est constitue de roches ultrabasiques riches en silicates de fer et de magnesium, comme la peridotite. Enfin, le noyau, situe au centre, commence a 2900 km et s'etend jusqu'au centre de la Terre (6370 km). Sa densite est tres elevee (9.9 a 13.1), ce qui suggere une composition metallique, principalement de fer et de nickel, avec des elements legers comme le soufre ou l'oxygene. Le noyau est divise en deux parties : un noyau externe liquide et un noyau interne solide.
Les discontinuites sismiques majeures : Moho, Gutenberg et Lehmann
Les frontieres entre les grandes enveloppes terrestres sont marquees par des changements brutaux des proprietes physiques des materiaux, detectables par les ondes sismiques. Ces limites sont appelees discontinuites. La discontinuite de Mohorovicic (ou Moho), decouverte en 1909, separe la croute du manteau superieur. Elle est situee a une profondeur moyenne de 35 km sous les continents et seulement 5 a 10 km sous les oceans. A cette interface, la vitesse des ondes P passe brutalement d'environ 7 km/s a plus de 8 km/s, temoignant d'un changement de composition chimique (passage de roches basaltiques/granitiques a des peridotites). La discontinuite de Gutenberg, a 2900 km de profondeur, marque la limite entre le manteau solide et le noyau externe liquide. Elle est caracterisee par l'arret brutal des ondes S (qui ne se propagent pas dans les fluides) et une forte diminution de la vitesse des ondes P, passant de 13.7 km/s a environ 8 km/s. Enfin, la discontinuite de Lehmann, a 5150 km de profondeur, separe le noyau externe liquide du noyau interne solide. Elle est revelee par une reacceleration des ondes P qui peuvent a nouveau se propager dans le solide.
Lithosphere et asthenosphere : une division mecanique
Outre la division chimique (croute, manteau, noyau), la Terre est aussi structuree selon ses proprietes mecaniques, c'est-a-dire sa rigidite. La lithosphere (de 'lithos', pierre) est l'enveloppe rigide et froide de la surface. Elle comprend toute la croute et la partie superieure du manteau jusqu'a une profondeur d'environ 100 km sous les oceans et 150 km sous les continents. Cette couche est decoupee en plaques tectoniques qui se deplacent les unes par rapport aux autres. Juste en dessous, l'asthenosphere (de 'asthenes', sans resistance) s'etend jusqu'a environ 700 km de profondeur. Bien que solide, elle est partiellement fondue (moins de 1%) et se comporte de maniere ductile, c'est-a-dire qu'elle peut fluer tres lentement sur des echelles de temps geologiques. Cette faible rigidite est due a des temperatures proches du point de fusion des peridotites. L'asthenosphere permet le glissement des plaques lithospheriques rigides au-dessus d'elle, comme des radeaux sur une mer visqueuse. Cette distinction est cruciale pour comprendre la tectonique des plaques, car les mouvements de convection dans le manteau, inities dans l'asthenosphere, sont le moteur principal de la derive des continents.
Le champ magnetique terrestre et l'age de la Terre
Deux elements fondamentaux decoulent de la structure interne : le champ magnetique et l'age de la planete. Le champ magnetique terrestre, qui protege la surface des rayonnements solaires nocifs, est genere par l'effet dynamo dans le noyau externe. Ce dernier, compose de fer et de nickel en fusion, est un conducteur electrique en mouvement permanent, anime par la convection thermique et la rotation de la Terre. Ces mouvements de fluide conducteur generent des courants electriques qui, a leur tour, creent le champ magnetique global. L'etude des roches magnetisees montre que ce champ s'est inverse de nombreuses fois dans l'histoire geologique. Concernant l'age de la Terre, les methodes de datation radiometrique, basees sur la desintegration d'elements radioactifs contenus dans les roches (comme l'uranium en plomb), ont permis d'etablir un age d'environ 4.55 milliards d'annees. Les plus vieilles roches de la croute continentale datees ont environ 4 milliards d'annees, tandis que les meteorites, considerees comme des vestiges de la formation du systeme solaire, donnent l'age de formation de la Terre. La differenciation en couches (croute, manteau, noyau) s'est produite peu apres sa formation, il y a plus de 4.4 milliards d'annees.
Vocabulaire
Ondes sismiques de cisaillement, plus lentes que les ondes P, qui ne se propagent pas dans les milieux fluides comme le noyau externe terrestre.
Frontiere seismique separant la croute terrestre du manteau superieur, caracterisee par une augmentation brutale de la vitesse des ondes sismiques.
Enveloppe terrestre rigide comprenant la croute et la partie superieure du manteau, fragmentee en plaques tectoniques.
Couche du manteau superieur, situee sous la lithosphere, partiellement ductile et permettant le deplacement des plaques tectoniques.
Couche liquide du noyau terrestre, composee principalement de fer et de nickel, responsable de la generation du champ magnetique par effet dynamo.
Processus par lequel les couches de la Terre (croute, manteau, noyau) se sont formees par separation des materiaux selon leur densite, peu apres la formation de la planete.
