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-2000 et après ? CHRONIQUE DE « Doc Carbur » N° 13 |
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Vous ne l'avez pas vue ? Dommage... Rattrapez-vous en lisant ce qui suit.
1 Introduction Longtemps la cote –1000 ne fut qu’un rêve que la technologie ne permettaient pas de concrétiser. C’est en 1956 au Gouffre Berger, dans le massif du Vercors (Isère), que cette profondeur mythique fut atteinte pour la première fois. Pendant des décennies on put alors s’adonner à la « recordite » nationaliste et regarder, exploration après exploration, ce nombre évoluer en changeant parfois de cavité, de pays ou de continent. En 2005, au moment où j’écris ces lignes, la profondeur spectaculaire des –2000 mètres vient d’être dépassée par des spéléologues à Krubera Cave (ex gouffre Voronja), dans le Caucase occidental (Abkhazie).
2 Quelques jalons historiquesElle est généralement flatteuse pour notre ego cette petite plongée dans le passé. On y rencontre des personnages décatis et des hypothèses farfelues qui sentent bon la poussière d’antan et nous font paraître nos propres connaissances comme bien plus dignes de notre intelligence. Du coup, la marche du progrès nous semble inéluctable et on oublie bien trop vite que c’est aussi grâce à des idées réfutées que la science avance vers la vérité. Ne dénigrons donc pas trop vite nos illustres prédécesseurs sur les réussites, mais aussi les erreurs, desquels nos paradigmes ont germé.
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. Nous ne retiendrons ici que les plus connus.
Notre planète est pour lui constituée de terre et de roche entourée d’eau puis d’air. Viennent ensuite une couche de feu et les astres. Jusqu’à Copernic cette vision évoluera peu, mais au milieu du XVIIeme siècle un foisonnement d’idées nouvelles apparaît.
La Terre de Descartes (« Principes de philosophie » en 1644) est un ancien soleil qui a gardé un noyau de type solaire mais dont les couches externes ont évolué. Plusieurs couches se succèdent à partir du centre : roche, eau, air puis enfin une croûte extérieure en équilibre sur cet air. Cette croûte brisée a formé les reliefs et laissé passer l’eau venant des profondeurs qui a formé mers et océans.
Le globe terrestre est ici aussi un astre refroidi mais il contient sous la croûte une matière en fusion qui s’échappe parfois du centre par les volcans. A la fin du XVIIeme et au cours du XVIIIeme siècle une grande quantité d’hypothèses seront émises :
3 Le point des connaissances récentesNous ne sombrerons pas dans le scepticisme new-age de ceux qui doutent que la connaissance que nous avons du monde ait une quelconque valeur. Certes, il reste beaucoup à découvrir sur, dans et au-delà de notre planète. Pour autant la science nous apporte chaque jour des réponses qui, bien qu’incomplètes, sont des parcelles de la vérité matérielle et physique. Voyons ici où nous en sommes et comment les chercheurs contemporains y sont parvenus.
Quoi qu’il en soit, même les mines les plus profondes du monde ne font qu’égratigner l’écorce terrestre et sans l’apport de méthodes d’exploration indirecte, nous serions restés totalement ignorants du contenu profond de notre globe. 3.1.1.2 Les forages profonds Comme la croûte océanique est plus mince que les plaques continentales (voir au 3.2), plusieurs projets ont vu le jour pour tenter une percée à ce niveau : MOHOLE puis JOIDES aux USA, et programmes internationaux IPOD ou ODP / DSDP. Hélas, aucun navire n’a encore réussi à forer jusqu’à la discontinuité de Mohorovicic.
Comprendre comment les couches successives de la Terre se sont progressivement différenciées serait grandement facilité par la connaissance de la composition exacte du matériau primitif qui lui a donné naissance. Les éléments absolument indispensables à la bonne formule sont le fer, le nickel et les silicates. On retrouve ces éléments (et plusieurs autres) dans un type de météorites appelé chondrites. Elles contiennent des petites zones sphériques de silicates solidifiés après fusion, les chondres, dont le nom est à l’origine de l’appellation de ces météorites. Parmi toutes ces chondrites, seules les chondrites contenant 45% d’enstatite présentent une composition chimique et isotopique en adéquation avec la densité et la nature profonde actuelle de la Terre (plusieurs couches de silicates légers et un noyau où ont migré les métaux plus lourds). Bien évidemment, ces météorites ont une taille bien trop faible et ne sont donc pas différenciées : leurs éléments y sont restés répartis de façon relativement homogène.
C’est l’analyse des enregistrements obtenus grâce aux sismographes qui permettra de renouveler totalement le modèle de la Terre au cours du XXeme siècle. Le principe est relativement simple : suite à un séisme on détermine la position de son épicentre le plus précisément possible. puis on enregistre les vibrations qui se propagent à travers tout le globe. Ces phénomènes ondulatoires sont soumis à des lois physiques telles que la réflexion ou la réfraction. De plus, elles ne se déplacent pas toutes à la même vitesse suivant le milieu qu’elles traversent ce qui permet d’évaluer le contenu de la Terre par l’examen attentif des courbes temps / distance parcourue. Les ondes étudiées dans la tomographie sismique sont les ondes de fond qui parcourent le globe terrestre dans toutes les directions. Les ondes de surface, qui causent les dégâts aux constructions humaines, se propagent que dans la croûte et ne donnent aucune information sur les couches profondes.
Les ondes P sont des vibrations qui agissent en compression : les particules se déplacent dans le sens de propagation de l’onde, un peu comme dans un ressort ou une onde sonore. Ces ondes de compression se propagent dans les solides, les liquides et les gaz.
Les ondes S sont des ondes de cisaillement : les particules se déplacent perpendiculairement au sens de propagation de l’onde, un peu comme une oscillation sur une corde. Ces ondes de cisaillement se propagent dans les solides mais pas dans les milieux liquides ou gazeux.
La vitesse des deux types d’ondes P et S varie en fonction de la densité du matériau traversé. Plus la couche traversée est molle, plus les ondes se propagent lentement. De plus, lorsqu’une onde P arrive non perpendiculairement sur une zone de transition (interface manteau-noyau par exemple) une petite partie de son énergie est convertie dans une autre forme d’onde (une fraction de P devient alors S). L’interprétation des relevés sismographiques est donc ardue car s’y chevauchent les tracés de nombreux types d’ondes qu’il faut démêler et dont on doit expliquer l’origine. Pour s’y retrouver un peu mieux, on a désigné toutes ces ondes par des lettres différentes qu’on peut ensuite combiner au fur et à mesure de leur évolution (voir tableau ci-dessous).
Ainsi une onde PP est une onde P qui, après avoir subi une réflexion à la surface du globe terrestre, est restée dans le manteau avant de réapparaître en surface où elle est détectée. Une onde PKP sera une onde P qui ressort en surface après avoir traversé le noyau externe liquide (trajet = manteau / noyau ext. / manteau). On peut ainsi allonger l’appellation autant que nécessaire. Prenons un exemple assez complexe : une onde quasi verticale traversant le globe terrestre de part en part après avoir rebondi à la surface et être passée deux fois (à l’aller et au retour) par le noyau et la graine réapparaîtra à la surface affublée du gentil sobriquet, palindrome totalement imprononçable, de PKIKPPKIKP !!! Au cours du XXeme siècle plusieurs découvertes essentielles ont été faites grâce à la tomographie sismique.
Désormais, l’essentiel de la structure de notre globe est posé. Reste à en améliorer la compréhension dynamique interne pour mieux comprendre son évolution, ses soubresauts, les variations du champ magnétique etc. Affaire à suivre donc…
Des tentatives de modélisation numériques et des expériences en laboratoire sont à l’étude. Si elles n’ont pas encore permis de créer un effet dynamo dans une sphère, elles ont montré que des colonnes de convection apparaissent à certaines températures en fonction de la viscosité du liquide et de la vitesse de rotation. Ces mouvements sont compatibles avec les hypothèses de création du champ électromagnétique terrestre tel que nous le connaissons.
Plutôt qu’un long discours, quelques représentations commentées permettront de faire le point rapidement sur la structure interne du globe. Sur la figure 1 on retrouve la plupart des éléments qui constituent la structure interne de la Terre. La figure 2 donne les dimensions respectives de ces différentes couches et les températures approximatives qui y règnent. Figure 1 : structure détaillée 1 : Croûte continentale solide essentiellement granitique surmontée par endroit de roches sédimentaires. De densité 2,7 à 3, elle est plus épaisse que la croûte océanique (de 30 km à 100 km sous les massifs montagneux). La croûte ou écorce terrestre représente moins de 2% du volume terrestre. Elle était anciennement appelée SIAL (silicium + aluminium). 2 : Croûte océanique solide essentiellement composée de roches basaltiques. Relativement fine (environ 5 km) et de densité 3,2 elle est également appelée aussi SIMA (silicium + magnésium). 3 : Zone de subduction où une plaque s’enfonce parfois jusqu’à plusieurs centaines de kilomètres dans le manteau. 4 : Manteau supérieur qui est plus visqueux que le manteau inférieur. Il est formé essentiellement de péridotites (olivine, pyroxène, grenat). Au contact entre la croûte et le manteau supérieur on peut parfois déceler une zone appelée LVZ (voir n°11). 5 : Éruptions sur des zones de volcanisme actif. Deux types de volcanismes sont représentés ici, le plus profond des deux est dit « de point chaud ». Il s’agirait de volcans dont le magma proviendrait des profondeurs du manteau proche de la limite avec le noyau liquide. Ces volcans ne seraient donc pas liés aux plaques tectoniques et, ne suivant donc pas les mouvements de l’écorce terrestre, ils seraient donc quasiment immobiles à la surface du globe.
9 : Noyau interne solide (ou graine) essentiellement métallique constitué par sédimentation 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. Noyau interne et externe représentent 17 % du volume terrestre.
11 : Lithosphère : elle est constituée de la croûte (plaques tectoniques) et du manteau supérieur. La limite inférieure de la lithosphère (c'est-à-dire la limite entre le manteau supérieur et le manteau inférieur) se trouve à une profondeur comprise entre 100 et 200 kilomètres, à l'isotherme où les péridotites comme l'olivine approchent de leur point de fusion. Pour cette raison, la limite entre lithosphère et asthénosphère est souvent choisie au niveau de l’isotherme 1300 °C. 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 d'une atténuation marquée des ondes sismiques P et S. Ce phénomène est dû à la fusion des péridotites qui entraîne une plus grande fluidité. La LVZ n’est généralement pas présente sous les racines des massifs montagneux de la croûte continentale. 12 : Asthénosphère : c’est la zone inférieure du manteau jusqu’à la discontinuité de Gutenberg. 13 : Discontinuité de Gutenberg : zone de transition manteau / noyau. 14 : Discontinuité de Mohorovicic : zone de transition croûte / manteau (elle est donc incluse dans la lithosphère). Figure 2 : dimensions et températures NB : sur cette figure les températures sont données en degré Celsius à titre indicatif. Ne pouvant être mesurées directement mais uniquement déduites, elles sont approximatives (plus on s’enfonce et plus la marge d’erreur est grande). De plus le globe terrestre n’est pas parfaitement sphérique et le rayon réel équatorial est supérieur d’une vingtaine de kilomètres au rayon polaire. 4 ConclusionDoc Carbur après cette plongée au cœur de la planète ne souhaite qu’une chose, c’est que l’homme puisse encore longtemps s’interroger sur le monde qui l’entoure. D’autres hypothèses naîtront, certaines seront bannies et quelques-unes nous feront entrevoir la vérité. En sciences nous n’écrivons jamais le mot « fin », mais simplement « à suivre » et c’est très bien ainsi. 5 Bibliographie
CABROL N. et GRIN E. « La Terre et la Lune », Que sais-je, N° 875, PUF, 1998 COLLECTIF, « La Terre à coeur ouvert » in Dossier Pour la Science, N° 67, avril-junin 2010 COURTILLOT Vincent, « Nouveau voyage au centre de la Terre » ISBN 978-2-7381-1939-1, septembre 2009, 352 pages DARS René « La géologie », Que sais-je, N° 525, PUF, 2000 DEWAELE A. et SANLOUP C., « L'intérieur de la Terre et des planètes », BELIN, 2005 DEPARIS Vincent et LEGROS Hilaire, « Voyage à l’intérieur de la Terre », CNRS Editions, Paris, 2000 DORMY Emmanuel, « La dynamo terrestre, un défi centenaire », in Pour la Science N° 505, 2019 EMMERMANN Rolf, « Neuf kilomètres sous l’Allemagne » in Pour la Science N° 226, 1996 GOGUEL Jean (s.d.d.) « Géophysique », La Pleïade NRF Gallimard, 1971 GOHAU Gabriel, « Une histoire de la géologie, Le Seuil, 1990GREFF-LEFFTZ Marianne, « La Terre, une toupie au cœur liquide », in Pour la Science N° 318, 2004 GRAPPIN Ch., CARDIN Ph., GOFFÉ B., JOLIVET L., MONTAGNER J-P., « Terre, planète mystérieuse », LE CHERCHE MIDI, 2008 JAVOY Marc, « La naissance de la Terre » in Pour la Science N° 329, 2005KRAFFT Maurice, « Les feux de la Terre » , Gallimard, 1991 KLIMCHOUK Alexander et ALVAREZ Stephen L., « Au coeur des abîmes » in National Geographic Vol 12.5 N° 68, Mai 2005 MARSHAK Stephen, « Terre,
portrait d'une planète », 985 p, De Boeck, 2010 MONTAGNER Jean-Paul, Panaches mantelliques : des
chalumeaux mythiques ?, in Pour la Science N° 327, 2005 POIRIER Jean-Paul, « Les profondeurs de la Terre », Masson, 1996 POIRIER Jean-Paul, « Le noyau de la Terre », Collection Dominos, Flammarion, 1996 SCANDOLO Sandro et JEANLOZ Raymond, « Au cœur des planètes », in Pour la Science N° 318, 2004 VERNE Jules, « Voyage au centre de la Terre », Éditions Hetzel, 1867
International Earth and Reference Systems Service IERS http://www.iers.org Planète Terre (Canada) http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/intro.pt/planete_terre.html Institut de Physique du Globe de Paris IPGP http://www.ipgp.fr Association de sciences de la Terre http://www.geopole12.org/ Planet Terre http://planet-terre.ens-lyon.fr/ Projet Geoscope http://geoscope.ipgp.fr/index.php/fr/ CNRS Geomanips http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosgeol/accueil.html Université de Strasbourg EOST http://eost.unistra.fr/recherche/ipgs/ Institut National des Sciences de l’Univers http://www.insu.cnrs.fr
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