Introduction
Depuis l'Antiquité, l'humanité s'est interrogée sur la nature et la composition du globe terrestre. Des observations directes de la surface aux études des ondes sismiques, en passant par les réflexions philosophiques et les théories scientifiques, la compréhension de la structure interne de notre planète a évolué au fil des siècles. Cet article explore la composition de la couche terrestre, en s'appuyant sur les connaissances actuelles et en retraçant l'histoire des idées qui ont façonné notre vision du monde souterrain.
Méthodes d'Étude de la Composition de la Terre
La composition de la Terre est étudiée par différentes méthodes:
- Observations directes de la surface: Elles permettent d'analyser les structures superficielles visibles et d'échantillonner les roches affleurantes.
- Étude des tremblements de terre et des ondes sismiques: L'observation des vibrations créées par un tremblement de terre en différents points du globe permet de reconstruire la trajectoire des ondes sismiques à travers le globe et d'en déduire la structure interne. L'étude de la propagation des ondes sismiques fournit des conclusions importantes sur les propriétés physiques des différentes zones internes du globe terrestre.
Les Principales Couches de la Terre
Le globe terrestre est composé de trois enveloppes concentriques principales, qui diffèrent par leur composition chimique : la croûte, le manteau et le noyau. Ces couches sont délimitées par des discontinuités, zones où la vitesse des ondes sismiques change brutalement, indiquant un changement de milieu.
La Croûte Terrestre (SIAL)
La croûte, ou écorce terrestre, représente environ 1,5 % du volume de la Terre. C'est l'enveloppe la plus externe, rigide et constituée de roches. Elle est souvent sujette à des déformations, souples et cassantes. On distingue deux types de croûte:
- Croûte continentale: Elle est relativement peu épaisse, surtout formée de roches granitiques, surmontée par endroit de roches sédimentaires. La croûte continentale est riche en silice et plus épaisse que la croûte océanique (de 30 km à 100 km sous les massifs montagneux).
- Croûte océanique: Elle est composée essentiellement de roches basaltiques, relativement fine (environ 5 km) et moins riche en silice que la croûte continentale.
La croûte est séparée du manteau par une discontinuité majeure, la discontinuité de Mohorovicic (ou MOHO), du nom du sismologue Croate Andrija Mohorovicic. Cette discontinuité se manifeste par une accélération des vitesses des ondes sismiques lors de leur passage croûte-manteau, traduisant un changement de composition des matériaux.
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Le Manteau Terrestre (SIMA)
Le manteau représente 82,5 % du volume de la Terre et s'étend sur une épaisseur de 2900 km. C'est la 2e enveloppe du globe qui va de la base de la croûte à 2900Km de profondeur. Il est séparé de la croûte par la discontinuité du Moho (Mohorovicic). Du point de vue chimique, le manteau est siliceux, mais relativement peu riche en silice comparé aux croûtes. Il est par contre très riche en magnésium (MgO). On peut distinguer deux unités au sein du manteau:
- Manteau supérieur: Il s'étend jusqu'à 670 km de profondeur et est plus visqueux que le manteau inférieur. Il est formé essentiellement de roches telles que la péridotite (ses minéraux sont: olivine, pyroxène, grenat). Au contact entre la croûte et le manteau supérieur on peut parfois déceler une zone appelée LVZ.
- Manteau inférieur: Il s'étend de 670 à 2900 km de profondeur, où apparaît la discontinuité de Gutenberg qui le sépare du noyau. Il est plus dense que le manteau supérieur, du fait d’une densité croissante. Le manteau n’est pas liquide comme on pourrait le croire en regardant les coulées de lave de certaines éruptions volcaniques mais il est moins "dur" que les autres couches.
La limite inférieure de la lithosphère se trouve à une profondeur comprise entre 100 et 200 kilomètres, à la limite où les péridotites approchent de leur point de fusion. On trouve parfois à la base de la lithosphère (certains géologues l’y incluent) une zone appelée LVZ (pour " Low Velocity Zone ") où on constate une diminution de la vitesse et une atténuation marquée des ondes sismiques P et S. Ce phénomène est dû à la fusion partielle des péridotites qui entraîne une plus grande fluidité.
Le Noyau Terrestre (Barysphère)
Le noyau représente 16% du globe terrestre. C'est la 3e et dernière enveloppe du globe. Sa densité est comprise entre 9 et 12, il est riche en Nickel et en fer. Le noyau est séparé du manteau par la discontinuité de Gutenberg, mise en évidence en 1914 par le sismologue allemand Beno Gutenberg. Cette discontinuité se manifeste par un ralentissement des vitesses des ondes sismiques, traduisant un changement de composition par rapport au manteau. Le noyau, contrairement à la croûte et au manteau, n'est pas silicaté (ou très peu silicaté). On distingue deux parties au sein du noyau:
- Noyau externe: Il s'étend jusqu'à 5150 km de profondeur et est liquide. Il est essentiellement composé de fer (environ 80 %) et de nickel plus quelques éléments plus légers. Sa viscosité est proche de celle de l’eau, sa température moyenne atteint 4000 °C et sa densité 10. Cette énorme quantité de métal en fusion est certainement agitée (par convection, mais aussi suite aux divers mouvements de rotation et de précession du globe terrestre). Des écoulements de fer liquide peuvent y engendrer des courants électriques qui donnent naissance à des champs magnétiques qui renforcent les courants créant ainsi un effet dynamo en s’entretenant les uns les autres.
- Noyau interne (ou graine): Il est solide, essentiellement métallique, constitué par cristallisation progressive du noyau externe. La pression le maintient dans un état solide malgré une température supérieure à 5000 °C et une densité d’environ 13.
Évolution des Conceptions du Monde Souterrain
Depuis l’Antiquité, nombreux sont ceux qui se sont illustrés dans leurs tentatives d’explication de la constitution interne de notre globe. Certains de ces intellectuels ont cherché à coller à la vision du terrain (relief, volcans, tremblements de terre), d’autres ont voulu aussi incorporer à leur modèle une explication des textes bibliques (le déluge). Viendra ensuite la période où les hypothèses seront étayées par des expérimentations : ce sera l’ère de la géophysique. On trouve donc dans cette galerie de portraits : des mathématiciens, des philosophes, des théologiens puis plus tardivement des naturalistes, des physiciens et des géologues.
- Antiquité: Thalès, Pythagore et Aristote s'interrogent sur le fonctionnement de la nature. Pour Aristote, la Terre est ronde et se maintient en équilibre au centre du Ciel. Il la conçoit constituée de terre, d'eau, d'air et d'une couche de feu.
- Moyen Âge et Renaissance: La vision d'Aristote perdure. Les voyages de découverte élargissent le monde connu, mais la structure interne de la Terre reste un mystère.
- XVIIe siècle: Descartes imagine une Terre creuse avec un noyau solaire et des couches externes en évolution. Kircher postule un globe refroidi avec une matière en fusion sous la croûte. Burnet imagine une Terre avec une couche interne de terre, une couche fluide et une nouvelle couche de terre, avec un noyau de feu au centre.
- XVIIIe siècle: Les représentations du monde souterrain se multiplient. Buffon avance que la Terre a été en fusion à son origine.
- XIXe siècle: La géologie prend son essor. Cordier et Fournier déduisent que le centre de la Terre est en fusion. Hopkins défend un noyau solide. Oldham construit un premier modèle de Terre sismologique.
- XXe siècle: Lehmann découvre la graine. La tomographie sismique renouvelle le modèle de la Terre.
La Tectonique des Plaques et la Lithosphère
Dès la naissance de la géophysique et de la géodynamique, les continents furent considérés comme un ensemble de masses rigides, le sial (acronyme de silice et alumine) flottant sur un manteau fluide, le sima (acronyme de silice et magnésium). Ainsi fut introduite en gravimétrie la notion de compensation isostatique des reliefs montagneux par une racine crustale légère s'enfonçant dans le manteau à la façon d'un radeau.
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Grâce à l'étude systématique des fonds océaniques, la théorie wégenérienne renaît dans les années 1960 sous la forme de la tectonique des plaques. Comme l'indique son nom, cette nouvelle théorie requiert l'existence de plaques terrestres rigides, formant la lithosphère, qui glissent sur un manteau plastique, l' asthénosphère. Toutefois, la notion de plaque, ou de lithosphère, s'est considérablement enrichie par rapport à celle des radeaux de sial.
La lithosphère peut être conceptualisée comme une entité mécanique à l'échelle de la tectonique des plaques ou comme une couche limite thermique assurant la transition entre un manteau chaud et convectif et la surface externe froide du globe. Elle peut aussi être identifiée par détermination in situ de propriétés sismiques (vitesses de propagation des ondes, facteur d'atténuation).
La Recherche Moderne et les Défis Futurs
La connaissance de la composition de la Terre a considérablement progressé grâce aux avancées technologiques et aux recherches scientifiques. Les forages profonds, l'analyse des météorites, la tomographie sismique et les modèles numériques permettent d'affiner notre compréhension de la structure interne de notre planète.
Cependant, de nombreux défis subsistent. La composition exacte du manteau profond, les mécanismes de convection du noyau et l'origine du champ magnétique terrestre sont autant de questions qui restent à explorer.
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