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-2000 et après ?

CHRONIQUE DE « Doc Carbur » N° 13


Les limites de l'exploration de la Terre profonde
Conférence de Jean-Paul MONTAGNER (professeur de géophysique à l'Université Paris VII)
au PALAIS DE LA DÉCOUVERTE le mardi 17 juin 2008 à 18 h 30 Infos : terre@palais-decouverte.fr

Vous ne l'avez pas vue ? Dommage... Rattrapez-vous en lisant ce qui suit.

1          Introduction

La spéléologie aux multiples facettes ne se prête guère, même dans sa composante sportive, à l’établissement de records. Malgré cela, la profondeur maximale des réseaux explorés par l’homme a toujours été considérée par le public, voire même par certains spéléologues comme une limite à repousser. Ce signe manifeste de vanité, qui consiste à envisager un nombre négatif sur une topographie comme un défi à relever, va nous servir ici d’entrée en matière.

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).

Voilà qui ravira les amateurs de scores improbables et les admirateurs béats de champions survitaminés. Mais les lecteurs assidus des chroniques de Doc Carbur se doutent bien que ce n’est pas là où nous voulons en venir. –2000 mètres c‘est bien, mais qu’y a-t-il après ? Que trouve-t-on plus bas, au-dessous, toujours plus profond ? Qu’est-ce qui se cache vraiment derrière les trésors d’imagination de Jules Verne et son « Voyage au centre de la Terre » ? C’est ce que nous allons essayer de découvrir ici, nous qui nous contentons d’effleurer les premiers hectomètres d’un globe de 12740 kilomètres de diamètre.

2         Quelques jalons historiques

Elle 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.

2.1   De l’Antiquité au XVIIIeme siècle

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 :

Avec l’essor de la géologie, les théories vont devoir coller à l’observation et aux mesures géophysiques.

3         Le point des connaissances récentes

Nous 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.

3.1      Les méthodes d’investigation

3.1.1    Investigations directes

3.1.1.1   Exploration humaine


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

L’objectif des forages profonds tels celui du programme KTB (Kontinental Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik) qui a atteint 9800 mètres sous l’Allemagne ou celui de 17 kilomètres dans la péninsule de Kola (Russie), est de mieux connaître la lithosphère (voir au 3.2) et d’atteindre la zone de transition entre celle-ci et le manteau supérieur : la Moho (voir au 3.1.2.1). Si ces forages ont permis de confirmer la structure et la composition de la croûte, ou de tracer des profils sismiques régionaux, elles n’ont malheureusement pas permis d’atteindre à ce jour la couche sous-jacente tant convoitée. On a pu ainsi mesurer par exemple que la température des roches atteint environ 300 °C à 10 kilomètres de profondeur.

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.

3.1.1.3  L’étude des météorites

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.

Certaines d’entre elles comme la chondrite Allende contiennent un mélange de fer métallique et d’oxyde de fer ainsi qu’une grande quantité de carbone ; d’autres comme la chondrite d’Indarch, du fer métallique et un silicate de magnésium (MgSiO3) : l’enstatite, extrêmement fréquent dans le manteau terrestre. D’autres chondrites, plus primitives, montrent du fer totalement oxydé, ce sont les météorites carbonées CI : elles sont très proches par leur composition de la nébuleuse gazeuse qui donna naissance au système solaire il y a environ 4,57 milliards d’années et à la Terre il y a 4,45 milliards d’années.

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.

3.1.2    Investigations indirectes (géophysique)

3.1.2.1  La tomographie sismique

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.

Certaines ondes arrivent rapidement : ce sont les ondes P (comme Premières) ; d’autres sont retardées et sont enregistrées plus tard : ce sont les ondes S (comme Secondes).

 

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).

P

Onde P dans le manteau

S

Onde S dans le manteau

K

Onde P dans le noyau externe liquide

I

Onde P dans le noyau interne solide (graine)

J

Onde S dans le noyau interne solide (graine)

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…

Andrija MOHOROVICIC

Beno GUTENBERG

Harold JEFFREYS

Inge LEHMANN

 

3.1.2.2 L’étude du magnétisme

Le magnétisme terrestre est un phénomène très intéressant et fort complexe à interpréter. La Terre se comporte comme une sorte de dynamo auto-entretenue qui génère un champ magnétique important (celui qui dévie l’aguille de la boussole et nous protège de certaines perturbations cosmiques). Ce champ est variable dans le temps et il s’est même inversé des centaines de fois depuis l’origine. Interpréter cette dynamique est indissociable de la compréhension de la composition des structures internes du globe terrestre et de leurs mouvements.

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.

3.2     Résumé du modèle actuel

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).

: 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.


6 : Manteau inférieur aux propriétés d’un solide élastique. La viscosité moyenne du manteau est d’environ 1021 à 1024 Pa.s. elle est donc très nettement inférieure à celle de la glace antarctique (1013 Pa.s.). Rien à voir avec la viscosité de la lave des points chauds ou des chambres magmatiques qui est de 102 à 103 Pa.s. (donc beaucoup plus  fluide). Le manteau n’est donc pas liquide comme on pourrait le croire en regardant les coulées de lave de certaines éruptions volcaniques. Le manteau, de densité moyenne 4,5 (de 3,3 à 6) représente 84 % du volume terrestre.


7 : Panache de matière en fusion qui partant des profondeurs du manteau interne ou même d’une zone proche du noyau externe produit un volcanisme de point chaud.


8 : Noyau externe liquide 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 écoulement 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. Le noyau liquide est donc à l’origine du champ magnétique terrestre.

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.


10 : Cellules de convection du manteau où la matière est en mouvement lent. Le manteau est le siège de courants de convection qui transfèrent la majeure partie de l’énergie calorifique du noyau de la Terre vers la surface. Ces courants provoquent la dérive des continents mais leurs caractéristiques précises (vitesse, amplitude, localisation) sont encore mal connues.

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         Conclusion

Doc 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

5.1    Publications écrites

ALEXANDRESCU M. et HULOT G. « Voir le noyau » in Pour la Science N° 225, 1996

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

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

MATTAUER Maurice, « Ce que disent les pierres », Librairie Pour la Science, 1998

MATTAUER Maurice, « Sismique et tectonique », in Pour la Science N° 265, 1999

MONTAGNER Jean-Paul, Panaches mantelliques : des chalumeaux mythiques ?, in Pour la Science N° 327, 2005

NATAF Henri Claude et s.d. de SOMMERIA Joël, « La physique de la Terre », Belin CNRS Editions, 2000

NATAF Henri Claude, JAULT Dominique, BRITO Daniel, CARDIN Philippe, « Le moteur de la dynamo terrestre », in Pour la Science N° 318, 2004

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

5.2    Sites Web

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://e.geologie.free.fr

Planet Terre http://planet-terre.ens-lyon.fr/

Projet Geoscope http://www.geosp6.ipgp.jussieu.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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