Un voyage à l’intérieur de la Terre ou La physique de la Terre

Le rayon de la Terre est de 6400 km. Retour sur le passé Le rayon de la Terre est de 6400 km. Comment le sait-on? Dans son roman « Voyage au centre de la Terre » écrit en 1864, Jules Verne fait un habile mélange de données scientifiques, d'extrapolations osées et d'aventure : Ayant découvert un manuscrit runique ancien, un savant, son neveu et leur guide entreprennent un voyage vers le centre de la Terre en y entrant par un volcan islandais éteint. L'introduction du roman reflète l'engouement d'alors pour une science jeune, la cryptologie. La suite enchaîne sur une description de l'Islande de la fin du XIXe siècle puis sur une vaste introduction à deux autres sciences en plein essor, la paléontologie et la géologie. Pour les scientifiques, la quête avait commencé bien avant …

Le rayon de la Terre est de 6400 km. Comment le sait-on? Retour sur le passé Le rayon de la Terre est de 6400 km. Comment le sait-on? Ce n’est pas en creusant ! Les forages les plus profonds atteignent à peine 13 km. Au 3ème siècle avant Jésus Christ, un géographe grec, Eratosthène a constaté que les rayons du soleil étaient exactement verticaux, à midi au bord du Nil alors que, au même moment, 800 km plus loin, à Alexandrie, ces rayons faisaient un angle de 7.2 ° avec la verticale. Eratosthène savait que le tour d'un cercle était 360°, une simple règle de 3 lui a donné le périmètre de la Terre, 40 000 km environ. A partir de là, il était facile de calculer le rayon r = 6400 km sachant que le périmètre p = 2p r et le volume v = 4p r3 soit 3000 milliards de km3.

Retour sur le passé Il faut attendre le 17ème siècle et la loi de gravitation universelle de Newton pour essayer d'évaluer la masse de la Terre. Les corps s'attirent et cette attraction est fonction de leurs masses respectives (et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare). A la fin du 18éme siècle, Cavendish a ainsi montré que la masse de la Terre était de 6 000 milliards de milliards de tonnes. Il faudra attendre le 20ème siècle pour connaître la structure « croûte-manteau-noyau-graine » de la Terre, grâce essentiellement à l’étude des ondes sismiques.

Les ondes sismiques Lorsqu’un tremblement de terre a lieu, il émet des ondes (vibrations) qui se propagent dans toutes les directions. Ce sont les ondes sismiques. Il existe principalement 2 types d’ondes: Les ondes P et S, dites ondes de volume. Elles se propagent partout à l’intérieur de la Terre. Les ondes de Love et de Rayleigh, dites ondes de surface. Elles se propagent guidées par la surface de la Terre.

Axe vertical du sismomètre Les ondes sismiques Les ondes sismiques se propagent dans toutes les directions de l'espace à partir du foyer du séisme. Axe vertical du sismomètre Épicentre Station sismologique Croûte terrestre Foyer Front d’ondes

La structure de la Terre L’étude des ondes émises par les tremblements de terre a permis de déterminer la structure interne de notre planète. noyau manteau supérieur manteau inférieur écorce La TERRE est comme un très gros fruit avec une peau : l’écorce terrestre avec une chair : le manteau et au centre : le noyau

La structure de la Terre Les roches de la CROÛTE ne sont pas les mêmes que celles du MANTEAU ou celles du NOYAU. Croûte océanique Croûte continentale Manteau supérieur Manteau inférieur Lithosphère Asthénosphère 2260 1220 2890 670 0 km 5150 6370 6320 km 5700 3480 NOYAU GRAINE MANTEAU SUPERIEUR MANTEAU INFERIEUR

La croûte La croûte n'est pas très épaisse, 30 km en moyenne, plus fine sous les océans, 6 km, nettement plus épaisse sous certaines chaînes de montagnes (70 km sous le Tibet par exemple). La croûte est solide, elle est même cassante dans sa partie supérieure, les 20 premiers kilomètres, c'est là que se produisent les séismes. Les observations en surface ont permis de connaître la composition de la croûte. Pour la croûte océanique : des roches volcaniques, des basaltes. Pour la croûte continentale : des roches magmatiques surtout, des granites et un peu de dépôts sédimentaires. La densité de la croûte est environ 3 g par cm3, 3 tonnes par m3, c'est 3 fois plus que la densité de l'eau.

La croûte La pression à la surface de la croûte est de 1 bar. C’est la pression atmosphérique. A la base de la croûte, elle vaut 9 kbar, soit 9000 fois plus qu'en surface. La température aussi augmente rapidement, les 20°C de surface se transforment en 600°C en à peine 30 km. On connaît bien l'épaisseur de la croûte depuis la première moitié du 20ème siècle. L'étude du trajet des ondes sismiques a montré que certaines ondes étaient piégées par une interface importante, une frontière où les propriétés changent. On l'appelle le Moho, du nom du chercheur croate qui a fait cette découverte en 1909, Andrija Mohorovicic.

Le manteau supérieur Certaines ondes sismiques ont du mal à traverser cette limite. Pourquoi ? Qu'est ce qui change ? Avant tout, les roches. Changement de roches, donc changement de densité, cela constitue une frontière pour la propagation des ondes sismiques. Les roches du manteau sont des péridotites, des roches qui contiennent un joli minéral «l'olivine», un cristal vert-olive classé dans les pierres semi-précieuses. Comment le sait-on ?   La surface de la Terre a été de nombreuses fois remodelée par le mouvement des plaques tectoniques et la formation des grandes chaînes de montagnes. Dans certains cas, quand 2 croûtes épaisses se rencontrent, l'une passe au dessus de l'autre, on parle de chevauchement. Dans quelques rares parties du monde, la croûte dans ces mouvements de chevauchement a entraîné avec elle des morceaux de manteau. Les volcans nous permettent aussi d'avoir accès a des roches profondes. L'analyse chimique de ces échantillons de manteau nous a donné la composition de base des roches du manteau.

Le manteau supérieur A 100 km de profondeur, il fait 1200-1300°C, le manteau est solide et un peu déformable puis brutalement, il devient beaucoup plus déformable. On parle de lithosphère au dessus de cette limite, d'asthénosphère en dessous. La lithosphère compose les plaques qui se déplacent à la surface de la Terre. Ces plaques solides, peu déformables se déplacent sur un manteau plus mou mais encore très solide (pas liquide!), l'asthénosphère. Comment le sait-on ? Ce sont encore les ondes sismiques qui nous donnent l'information. Les ondes perdent de la vitesse dans cette zone. C'est aussi une information liée aux températures. 1200°C, c’est la limite de refroidissement du manteau lithosphérique qui se forme au niveau des dorsales océaniques.

La tectonique des plaques Plaque Pacifique Plaque Sud-Américaine Plaque Africaine Plaque Eurasienne Plaque Nord-Américaine Plaque Indo-Australienne Plaque Antarctique L’écorce terrestre est constituée de plaques qui ‘flottent’ à sa surface et qui ’dérivent’ en se ‘frottant’ les unes contre les autres. Les plaques se déplacent à la surface de la Terre à des vitesses de quelques centimètres par an (de 1 à 12 cm). Les chocs des plaques les unes contre les autres sont à l’origine des tremblements de terre et des éruptions volcaniques.

Les frontières de plaques Zone de subduction Dorsale océanique Croûte océanique Faille transformante Continent Croûte continentale Asthénosphère Lithosphère CONVECTION Il existe 3 types de frontières de plaques : Les deux plaques s’écartent l’une de l’autre, ce sont des zones d’expansion (dorsales océaniques et rifts continentaux). Les deux plaques se rapprochent, ce sont des zones de convergence (subduction ou collision). Les deux plaques coulissent l’une par rapport à l’autre, ce sont des frontières en décrochement ou transformantes.

La propagation des ondes Les ondes sismiques La propagation des ondes Les ondes sismiques sont des ondes élastiques. Elles se propagent dans toutes les directions sans déformer durablement le milieu. Elles peuvent se réfléchir à la surface de la Terre ou à la limite manteau-noyau, par exemple. L’enregistrement des ondes sismiques, partout à la surface de la Terre, nous donne très rapidement des informations précises sur les caractéristiques des séismes et nous renseigne sur les milieux qu’elles ont traversés. On peut ainsi bâtir des modèles de plus en plus précis de la structure interne de la Terre.

Vers 700 km de profondeur, on arrive en bas du manteau supérieur. Le manteau supérieur Vers 700 km de profondeur, on arrive en bas du manteau supérieur. Actuellement on n'observe pas de séismes en dessous de 700 km. Est-ce le signe que les plaques s'arrêtent aussi de plonger à 700 km? C'est une question encore en débat. Il y a des séismes dans la partie supérieure de la croûte, dans la partie cassante. La croûte c'est aussi la partie supérieure des plaques. Quand 2 plaques se rencontrent et que l'une est plus légère que l'autre, la plus lourde plonge dans le manteau supérieur (au Japon par exemple, la plaque Pacifique passe sous la plaque eurasienne). La plaque entraîne sa croûte et donc la partie cassante ? On a donc théoriquement des séismes tant que les plaques plongent.

Vers 700 km de profondeur, pression et température augmentent Le manteau supérieur Vers 700 km de profondeur, pression et température augmentent L'étude des ondes sismiques nous donnent des images en 3 dimensions des vitesses des ondes dans le manteau supérieur. Les résolutions sont de quelques centaines à 1 millier de kilomètres. On est capable de voir des différences entre le manteau sous les Etats-Unis et le manteau sous l'Afrique. Connaître les vitesses sismiques, c'est avoir des indications sur la température, la densité puisque les ondes accélèrent dans les milieux froids et denses, ralentissent dans les milieux chauds, moins denses ...

Les ondes sismiques La vitesse des ondes Les ondes sismiques sont très rapides, avec des vitesses de l’ordre de quelques kilomètres par seconde. Ces vitesses dépendent du matériau traversé, de la pression et de la température. Ordre de grandeur des paramètres physiques à l’intérieur de la Terre Une vitesse de 8 km/s correspond à 28 000 km/h. Par comparaison, un avion de ligne ou un tsunami en haute mer se déplace à 900 km/h, le son à 300 m/s, la lumière à 300 000 km/s oit 1080 millions de km/H.

Le manteau inférieur Le manteau inférieur s’étend de 700 à 2900 km de profondeur Les ondes sismiques donnent des profils de vitesse, une seule dimension, la vitesse en fonction de la profondeur. On sait que la température et la pression continue d'augmenter et on peut en laboratoire tester des phases de haute pression - haute température pour connaître ce qui est possible. En partant de la composition de départ et en regardant les possibilités haute pression - haute température, on connaît les roches du manteau inférieur. On n'a plus de péridotites mais des roches de type perovskite. Le manteau est solide mais il est capable de se déformer

Le centre de la Terre est composé essentiellement de fer Le noyau Le noyau est liquide Au 19ème siècle déjà, en comparant la densité des roches de surface, environ 3 g par cm3 et la densité moyenne obtenue par le rapport entre le volume de la Terre et la masse de la Terre, environ 5,5 g par cm3, on constate qu'il y a forcément un corps plus dense à l'intérieur de la Terre. Un peu plus tard, au début du 20ème siècle, sur des considérations de densité et de composition chimique, Suess propose un modèle en 3 couches, le SIAL peu épais (silicate-aluminium) en surface, le SIMA (silicate, magnésium) au milieu, le NIFE (Nickel, Fer) au centre. Le centre de la Terre est composé essentiellement de fer Quand on compare la composition des météorites et la composition du manteau de la Terre, on s'aperçoit qu'il y a un déficit de fer. Ce fer se trouve donc ailleurs que dans le manteau, soit dans un « noyau ».

Le noyau Le noyau s’étend de 2900 à 5150 km de profondeur En 1909, en étudiant la déviation des ondes sismiques qui émergent à plus de 10 000 km du séisme, on a compris qu'il existait une zone lente à 2900 km de profondeur. Enfin rapidement, on a constaté que certaines ondes ne se propageaient pas à plus de 2900 km de profondeur, les ondes S, de cisaillement. C'est la preuve que cette couche est liquide. Le centre de la Terre est essentiellement composé de fer Tout change donc, un milieu de fer liquide, un saut en densité, elle valait 3 g par cm3 en surface, à l'entrée du noyau elle vaut presque 10 g par cm3, un saut important de température, on passe à 3500°C.

La graine Il y a dans le noyau liquide, une sphère de matériau solide : la « graine » ou « noyau interne » En 1936, Inge Lehman, sismologue danoise, remarque des ondes sismiques sur des enregistrements dans une zone, où, à cause du noyau liquide, il ne devrait pas y en avoir. Elle démontre qu'une couche solide pourrait expliquer le phénomène. Depuis, avec beaucoup plus de données, le modèle a été largement confirmé. Cela fait donc seulement 70 ans qu'on connaît la structure complète de la Terre. La graine est le résultat du refroidissement du noyau liquide. Elle est donc également essentiellement constituée de fer, fer solide cette fois.

Ce que l’on sait, ce que l’on cherche … La Terre, notre planète Ce que l’on sait, ce que l’on cherche … On a une terre en cinq couches : croûte, manteau supérieur, manteau inférieur, noyau, graine ou en simplifiant : croûte, manteau, noyau. RAPPEL Par l'étude des ondes sismiques on connaît les profils de vitesse des ondes de la surface jusqu'au centre de la Terre . Les vitesses sismiques sont liées aux densités. Les pressions sont calculées à partir d’un modèle. La température reste le paramètre le plus difficile à évaluer.

Ce que l’on sait, ce que l’on cherche … La Terre, notre planète Ce que l’on sait, ce que l’on cherche … A toi de continuer …

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