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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 présente un aplatissement de 0.33% (contre 1.05% pour Mars et 6.47% pour Jupiter). Elle 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 de composition différentes.

Du métal au centre de la Terre

Au centre de la Terre 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).

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. Voir le texte pour les explications. Documents Gary Hincks adapté par l'auteur.

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. En revanche, cela faisait des décennies qu'on cherchait à comprendre comment le fer était "descendu" jusqu'au centre de la Terre. On se doutait bien qu'il devait y avoir un écoulement des fluides mais les résultats obtenus par simulations ne correspondaient pas aux données. Ensuite, il fallait aussi expliquer comment l'intérieur de la Terre s'était différencié en différentes couches.

Pour la différenciation, on a rapidement pensé que cela s'était produit pendant la phase d'accrétion des planétésimaux (des corps dont la taille est plus grande que celle d'un astéroïde mais plus petite que celle d'une planète naine) sachant que ces corps sont composés de roches silicatées et de métaux. Sur base de simulations, les géophysiciens ont suggéré qu'au cours du processus de formation de la Terre, la masse initiale s'est séparée en un noyau métallique recouvert d'une couche de silicates comprenant un manteau fluide et une croûte solide (voir plus bas). Restait à expliquer par quel mécanisme le noyau se forma et se différencia.

Dans une étude publiée en 2017 dans les "PNAS", le géophysicien doctorant Soheil Ghanbarzadeh de l'Université du Texas à Austin et ses collègues ont apporté les preuves qu'un processus de percolation du métal fondu s'est produit vers le centre de la Terre à travers les minuscules interstices existants entre les grains des roches silicatées (composées de SiO4 mélangé à d'autres métaux).

Cette découverte remet en question la théorie traditionnelle fondée sur l'interprétation des expériences et des simulations visant à comprendre comment les métaux se comportent sous une chaleur et une pression intenses lors de la formation des planètes. En effet, les résultats antérieurs suggéraient que de grandes quantités de métaux fondus furent piégées dans des pores isolés entre les grains de silicates. En revanche, les résultats de la nouvelle étude suggèrent que lorsque ces pores sont isolés, ils deviennent suffisamment gros pour s'interconnecter. Le métal en fusion peut alors s'écouler et la presque totalité percole le long des jointures ou canaux se formant entre les grains. Ce processus permettrait au métal en fusion de s'écouler à travers le manteau, de s'accumuler au centre de la planète et de former une graine métallique comme dans le cas de la Terre.

Le noyau métallique de la Terre comme de toutes les planètes rocheuses se serait formé lorsque le métal fondu emprisonné entre les grains des roches silicatées ont percolé jusqu'au centre du globe à une époque très précoce de leur formation. Document UT.Austin.

Ghanbarzadeh qui travaille aujourd'hui comme ingénieur chez BP America a développé un modèle informatique au Texas Advanced Computing Center pour simuler la distribution du fer fondu entre les grains silicatés en fonction de la porosité ou de la fraction de métal fondu. Les chercheurs ont constaté que lorsque le métal commence à percoler, il peut continuer à couler même si la fraction fondue diminue de façon significative. Or selon les anciens modèles, lorsque le métal commence à couler, il suffisait d'un petit espace vide dans le volume de la masse fondue pour arrêter la percolation. Selon le nouveau modèle informatique, seuls 1 à 2% du métal initial seraient piégés dans le manteau de silicate lorsque la percolation s'arrête, ce qui correspond à la quantité de métal existant dans le manteau terrestre.

Les chercheurs soulignent que l'arrangement des grains silicatés explique les différentes façons dont les espaces entre les grains sont plus ou moins bien connectés. Dans les travaux antérieurs, les modèles utilisaient un motif géométrique de grains réguliers et identiques, alors que la nouvelle étude repose sur des simulations de grain irréguliers, censés refléter plus fidèlement les conditions réelles. La géométrie des grains a été construite sur base des données réelles d'un échantillon de titane polycristallin qui fut modélisé par microtomographie aux rayons X.

La géométrie des grains a un effet très important sur la manière dont le métal fondu se connecte au réseau. Dans les grains irréguliers, les canaux interconnectant la masse fondue présentent une largeur variable et les plus larges restent connectés même si la plus grande partie du métal s'écoule.

En d'autres termes, ce résultat démontre qu'une parfaite modélisation tridimensionnelle fondée sur des données réelles est essentielle pour comprendre et quantifier le fonctionnement du piégeage du métal fondu dans les roches.

Enfin, par curiosité les chercheurs ont également comparé leurs résultats à un réseau de métal fondu fossilisé dans une achondrite, un type de météorite provenant d'un astre qui s'est différencié en différentes couches. Les radiographies de la météorite ont révélé une distribution de métal comparable aux réseaux de masse fondue calculés par leur simulation. Cette comparaison démontre que le nouveau modèle s'applique également aux caractéristiques observées dans ce type de météorite.

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

A gauche et au centre, détermination de la structure interne de la Terre à partir de la vitesse de propagation des ondes sismique P et S. A droite, expériences de compression de différents éléments chimiques et comparaison avec la vitesse de propagation des ondes P afin de déterminer la composition interne de la Terre. Documents anonyme, A.Denoel et al. (2014) et F.Birch (1961).

Décrivons à présent les autres structures entourant la graine et remontons ainsi jusqu'en surface.

Le noyau externe

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).

Le manteau

Le noyau 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. Bien que le manteau soit composé de roches solides, il est légèrement fluide, s'écoulant à raison de quelques millimètres par an, ce qui est suffisant pour générer des courants électriques qui sont à l'origine du champ magnétique planétaire. On y reviendra. 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.

A gauche, simulation des plumes chaudes remontant du manteau inférieur vers la croûte terrestre et à l'origine des points chauds. A droite, illustration des mouvements du magma dans le manteau avec la rezmontée d'une plume chaude à l'origine des points chauds. Il existe une corrélation entre le mouvement des plaques tectoniques, le flux du manteau et le taux d'inversion du champ géomagnétique. Documents P.Allen (2011) et extrait de E.Tarbuck et al., "Earth, An Introduction to Physical Geography" (2016).

La croûte

Enfin, en surface se trouve la lithosphère ou croûte terrestre sur laquelle évoluent les continents au gré des mouvements des plaques tectoniques. L'épaisseur de la lithosphère varie entre 79.5 km maximum sous les Andes et au Tibet à 5 km minimum en certains endroits des failles sous-marines ou des fosses abyssales. La croûte continentale sur laquelle se forme les continents présente une épaisseur moyenne de 30 km (15 à 80 km) tandis que la croûte océanique est en moyenne épaisse de 5 à 7 km.

La croûte se compose d'une succession de strates : une couche superficielle de sédiments, une couche intermédiaire continentale granitique appelée "sial" (silicium-aluminium) et une couche basaltique mêlée de Gabbro (roche plutonique magmatique) qui forme le plancher des océans. Elle contient pour les trois quarts du silicium et de l'oxygène, ce sont des silicates. Mais ce modèle est une simplification car la croûte terrestre est en réalité hétérogène, la croûte océanique étant d'une composition différente de la croûte continentale.

La croûte continentale est pratiquement composée des mêmes éléments que les météorites carbonées. Ainsi à quelques pourcents près, comme sur Terre, on retrouve dans ces météorites les mêmes éléments O, Al, Si, Na, Mg, Ca et Fe parmi d'autres moins abondants. 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 apparemment 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.

Nous verrons plus loin à propos du champ magnétique que l'hypothèse selon laquelle il existe une corrélation entre le mouvement des plaques tectoniques, le flux du manteau et le taux d'inversion du champ géomagnétique est aujourd'hui confirmée, résolvant une question en suspens depuis des décennies.

La ringwoodite

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. Document T.Lombry.

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.

En analysant les ondes séismiques P se propageant dans le manteau, les scientifiques ont découvert vers 660-700 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 ! Vu sa localisation, la pression et la température, l'eau n'est pas sous forme liquide ou de gaz mais combinée aux molécules minérales.

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 l'énergie d'enthalpie de solidification (ou 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.

L'IceCube et l'absorption des neutrinos

On a longtemps cru que les neutrinos émis par le Soleil et les autres étoiles (cf. SN 1987A) étaient capables de traverser la Terre entière sans pratiquement interagir avec la matière. En effet, ces particules élémentaires élusives sont neutres, sans charge électrique, et de ce fait elles sont capables de traverser des milliers de kilomètres de roche ou de magma sans être absorbées ou se lier. Les théories de la physique des particules prédisent toutefois qu'à partir de certains niveaux d'énergie (au moins 106 GeV), elles sont absorbées par la matière. Mais jusqu'à présent personne n'avait observé concrètement ce phénomène.

A gauche, coupe transversale (cross-section) de la Terre et distribution des neutrinos traversant le globe. Voir le texte pour les explications. A droite, schéma de l'Observatoire neutrino IceCube installé près de la station polaire d'Amundsen-Scott au pôle Sud. Les détecteurs sont installés dans la glace à plus de 2000 m de profondeur. Les chercheurs de l'IceCube utilisent principalement cette installation pour étudier les sources de neutrinos du ciel profond (supernovae, quasars, etc). Documents Collaboration IceCube.

Grâce au détecteur neutrino IceCube installé en Antarctique, en 2017 les chercheurs ont découvert que les neutrinos ne pouvaient pas traverser le globe terrestre de part en part car ils étaient absorbés par la matière, et ce d'autant plus s'ils sont très énergétiques comme le montre le schéma présenté à gauche. On constate qu'en partant du pôle Nord, c'est-à-dire aux antipodes (180°) de l'IceCube, en traversant la Terre par le noyau, après avoir parcouru une distance de 12750 km à travers la roche et le magma, les neutrinos de plus de 1 million de GeV sont pratiquement tous absorbés (zone bleue) alors que sous un angle de 120° environ 35% des neutrinos (zone turquoise) traversent la Terre (via le manteau) et sont détectés. La probabilité d'interaction des neutrinos avec la matière, ce qu'on appelle leur "section efficace" est conforme aux prédictions du modèle Standard des particules au détriment des théories exotiques.

Cette découverte est également intéressante sur le plan instrumental de la recherche appliquée car, de manière similaire à la muographie utilisée pour sonder l'intérieur des pyramides, le fait que les neutrinos soient perturbés par la matière entrevoie la possibilité de les utiliser pour étudier la structure interne de la Terre et notamment pour cartographier les interfaces entre la lithosphère, le manteau et le noyau.

Prochain chapitre

Structure tectonique

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