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La Terre, berceau de l'Humanité

Notions de géodésie et de géologie (II)

La géodésie permet de déterminer la dimension et la forme exacte de la Terre. D'un diamètre de 12756 km à l'équateur et 12713 km aux pôles, la Terre ressemble à une poire dont le diamètre moyen serait inscrit dans une ellipse. Cet objet est un géoïde dont les "bosses" vont de 15 m à 80 m (Nouvelle-Guinée) au-dessus de l'ellipse de référence, tandis que les "dépressions" oscillent entre 25 m et 108 m (Sri Lanka) en-dessous de la surface moyenne. Son aplatissement est donc à peine perceptible. La superficie de la Terre est de 510 millions de km², sa densité moyenne est de 5.32 pour une masse de 6x1021 tonnes. Il en résulte que la force de gravité agit à sa surface avec une accélération constante de 9.81 m/s2 en moyenne, l’équivalent d’une force de "1 g".

A gauche, l'aspect de la Terre photographiée à plus de 100000 km de distance au téléobjectif de 70 mm lors du vol d'Apollo 17 vers la Lune le 12 juillet 1972. Le globe terrestre ressemble à une sphère bleue marbrée a priori parfaite. Mais les géophysiciens la voit autrement après l'analyse des données du satellite GOCE (au centre), telle un géoïde présentant des bosses de 80 m (orange) et des creux de 108 m (mauve) par rapport à la surface moyenne. Voir le texte pour les explications. Documents NASA/GRIN et ESA/HPF/DLR.

Du point de vue géologique, même si l'intérieur de la Terre est inaccessible, au moins trois méthodes permettent de caractériser sa structure interne sur base à la fois d'expériences et de simulations :

- l'analyse des effets mécaniques, en particulier le moment d'inertie qui dépend de la distribution des masses

- la vitesse de propagation des ondes sismiques P et S (loi de Birch) qui dépend de la densité (masse atomique) des éléments

- les données géochimiques concernant le rapport de masse et la diffenciation entre fer et magnésium.

Ces études ont permis de découvrir que l'intérieur de la Terre est constitué de plusieurs coquilles concentriques de masse et composition différentes.

Au centre, se trouve un noyau cristallin constitué de fer qu'on appelle la graine ou noyau interne. Il mesure environ 1216 km de rayon et présente une température variant entre 4700 et 5500°C. Sur base de l'équation hydrostatique, dont la formule différentielle est la suivante :

dP = ρ . g . dz

avec P la pression lithostatique (ou hydrostatique), ρ la densité (masse volumique), z la profondeur et g l'accélération de la pesanteur.

on peut estimer qu'au centre de la Terre il règne une pression lithostatique maximale d'environ 360 GPa (3.6 millions d'atmosphères).

On ignore quelles ont été les circonstances qui ont conduit à la formation du noyau, structure qui est propre à toutes les planètes y compris gazeuses, de même que le processus qui a conduit à la "descente" du fer dont il est constitué. On pense que cela s'est produit pendant la phase d'accrétion des planétésimaux.

Etant très dense, le noyau représente 30 % de la masse de la Terre. La graine est entourée par le noyau externe, une enveloppe de magma fluide d'environ 2275 km d'épaisseur. Cette enveloppe est composée de fer en fusion porté entre 3700-4700°C auquel se mêlent quelques éléments plus légers (soufre, oxygène, nickel, silicium, etc).

A lire : Physique de la Terre (PDF), A.Fournier/U.Jussieu

A gauche, détermination de la structure interne de la Terre à partir de la vitesse de propagation des ondes sismiques (LVZ= Low Velocity Zone). A droite, expériences de compression de différents éléments chimiques et comparaison avec la vitesse de propagation des ondes P selon F.Birch (1961) afin de déterminer la composition interne de la Terre.

L'ensemble est recouvert par les manteaux inférieur et supérieur composés d'un mélange de silicate de magnésium et de silicate d'aluminium qui s'étend en moyenne jusqu'à 35 km de la surface (cela varie entre 70 et 5 km). Le manteau inférieur présente une température maximale de 3700°C et subit une pression maximale de 140 GPa.

Toujours sur base de l'équation hydrostatique, à mesure qu'on remonte vers la surface, la pression diminue pour atteindre 1 MPa vers 3000 km de profondeur, 100 kPa vers 300 km et 10000 Pa ou atmosphères à 30 km de profondeur.

Enfin, en surface se trouve la lithosphère ou croûte terrestre sur laquelle évoluent les continents au gré des mouvements des plaques tectoniques. En moyenne, la croûte terrestre est profonde de 5 à 10 km et se compose d'une succession de strates : une couche superficielle de sédiments, une couche intermédiaire continentale granitique et une couche basaltique qui forme le plancher des océans. Elle contient pour les trois quarts du silicium et de l'oxygène, ce sont des silicates.

La croûte continentale est pratiquement composée des mêmes éléments que les météorites carbonées. Ainsi à quelques pourcentages près, on retrouve les éléments O, Al, Si, Na, Mg, Ca et Fe parmi d'autres moins abondants dans ces météorites comme sur Terre. On en déduit que ces roches proviennent d'un astre parent qui s'est formé de la même manière que la Terre et donc que les planètes telluriques reposent sur le même modèle. Nous reviendrons sur le sujet et celui de l'abondance des éléments chimiques dans l'article consacré à la formation du système solaire et des planètes telluriques.

La ringwoodite

En 1879, une grande météorite tomba à Tenham, dans le Queensland, en Australie, éparpillant de nombreux fragments sur plusieurs kilomètres. Cette météorite est une chondrite ordinaire de type L6 offrant la particularité de contenir de la ringwoodite (nom donné en hommage au géologue Ted Ringwood qui étudia les phases polymorphiques de l'olivine et du pyroxène). Cette roche de couleur bleue est une forme polymorphe stable de l'olivine qui se forme dans des conditions de hautes température et de pression similaires à celles existant dans le manteau supérieur entre 525 et 660 km de profondeur. Cette roche peut être fabriquée en laboratoire. Par un heureux hasard, en 2014 des géologues ont découvert au Brésil un diamant de 0.09 g contenant une inclusion de 40 microns de ringwoodite, le premier spécimen d'origine terrestre.

La structure interne de la Terre basée sur la distribution des ondes P et S. Le noyau se divise en noyau interne et externe, le manteau se divisant également en un manteau inférieur et supérieur. Le noyau externe comme le manteau sont le siège de mouvements convectifs. A droite, localisation de la ringwoodite vers 660 km de profondeur et comprenant l'équivalent de 3 fois la quantité d'eau contenue dans les océans. Voir le texte pour les explications. Documents Gary Hincks adapté par l'auteur et T.Lombry.

En analysant les ondes séismiques P se propageant dans le manteau, les scientifiques ont découvert vers 660 km de profondeur l'existence d'une couche de ringwoodite saturée d'eau au point qu'elle contiendrait l'équivalent de 3 fois la quantité d'eau contenue dans les océans ! On suppose que cette eau migra à cette profondeur à l'époque où la Terre accréta des planétésimaux riches en gaz et fit l'objet d'un intense bombardement par des météorites et des comètes riches en eau.

Températures

A partir d'un peu plus de 1 mètre de profondeur, les variations de températures journalières ne se font plus sentir et à partir de 20 à 30 m de profondeur selon les sols, les variations annuelles n'ont plus aucun effet. A mesure que l'on s'enfonce sous terre, la température augmente d'environ 3° tous les 100 m pour atteindre environ 3700°C à la surface du noyau et 5500°C au centre de la Terre.

Cette température est essentiellement entretenue par la radioactivité naturelle des roches à laquelle s'ajoute une petite contribution liée aux échanges thermiques avec le magma. C'est ensuite l'effet mécanique de la pression qui augmente la température et transforme finalement la matière visqueuse en réseau cristallin dans la graine.

Le noyau est le siège de mouvements convectifs qui peuvent être d'origine thermique suite à la température plus importante qui règne à la limite noyau interne-noyau externe (ICB) qu'à la frontière noyau externe-manteau (CMB). La cristallisation de la graine libère également de la chaleur latente de solidification qui réchauffe le fluide alentour et alimente la convection jusqu'aux couches supérieures du manteau, où l'activité volcanique trouve son origine.

Le noyau externe fluide étant conducteur, ses mouvements différenciés engendrent le champ magnétique terrestre par un phénomène de dynamo auto-excitée sur lequel nous reviendrons.

Nous reviendrons en détail sur ces matériaux quand nous aborderons les grandes étapes de l'évolution de la Terre et de la vie.

Prochain chapitre

Structure tectonique

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