Structure interne de la Terre : Composition et dynamique

Les ondes sismiques et la structure interne

La vitesse de propagation des ondes sismiques à l'intérieur de la Terre subit des changements graduels, parfois brusques. Ces changements soudains sont appelés discontinuités.

La vitesse à laquelle les ondes sismiques voyagent dépend de deux facteurs : la composition des matériaux et leur état physique.

Les discontinuités sont utilisées pour diviser les couches à l'intérieur de la Terre.

Ruptures de discontinuités et interprétation

• Discontinuité de Mohorovicic (Moho) : C'était la première discontinuité significative décrite. Elle se situe à une profondeur de 25 à 70 km sous les continents et entre 5 et 10 km sous les océans. Cette discontinuité permet de différencier la mince couche de surface appelée croûte, de la couche située sous elle, le manteau.
• Discontinuité de Gutenberg : Découverte par Beno Gutenberg, elle se situe à 2 900 km de profondeur. Cette discontinuité sépare le noyau du manteau. Comme les ondes S se propagent dans les matières solides mais pas dans les liquides, nous concluons qu'à 2 900 km de profondeur se trouve une couche continue de matière en fusion.

Les discontinuités de Gutenberg et du Moho permettent d'établir les trois couches traditionnelles de la Terre : croûte, manteau et noyau.

Autres discontinuités

Inge Lehmann a découvert qu'une partie du noyau n'était pas liquide. À une profondeur de 5 150 km, il y a une forte augmentation de la vitesse des ondes P. Ce saut est interprété comme un changement physique des matériaux, passant du noyau liquide à l'état solide. C'est la discontinuité de Lehmann, qui différencie le noyau externe (fusion) du noyau interne (solide).

Entre 100 et 800 km de profondeur, la vitesse des ondes P augmente avec des fluctuations. La plus importante se produit à 670 km et permet de différencier les zones du manteau supérieur.

Autres preuves indirectes

Température à l'intérieur de la Terre

Le gradient géothermique diminue avec la profondeur. Actuellement, on estime que l'augmentation de la température dans le manteau est d'environ 0,5 ºC/km. À la base de la croûte, la température est proche de 700 ºC. À la frontière entre le manteau supérieur et inférieur, elle atteint 2 000 ºC.

La température doit être suffisante pour que les matériaux constitutifs (fer et nickel) soient liquides dans le noyau externe et se solidifient à l'intérieur. Dans la partie la plus externe, la température doit être supérieure à 3 800 ºC et ne dépasse probablement pas 5 000 ºC.

Magnétisme terrestre

La Terre possède un champ magnétique, ce qui soutient l'idée d'un noyau métallique en agitation constante. La Terre se comporte comme une dynamo auto-induite. Selon cette théorie, le fer fondu du noyau externe circule par convection et par la rotation de la Terre. Ce mouvement fluide produit un courant électrique qui génère un champ magnétique.

Météorites

Ce sont de petits corps planétaires provenant de la ceinture d'astéroïdes. Âgées de 4 500 Ma, elles proviennent de la matière ayant formé le système solaire. Il existe trois types :

• Chondrites : Mélange de minéraux (type péridotite), représentant 86% du total.
• Achondrites : Composition similaire au basalte, 9% du total.
• Sidérites : Constitués de fer et nickel, 4% du total.

Une Terre en couches

La Terre est une planète stratifiée, distinguée selon deux critères :

• Unités géochimiques : Basées sur la composition chimique (croûte, manteau, noyau).
• Unités dynamiques : Basées sur le comportement mécanique (lithosphère, manteau sublithosphérique, noyau).

Unités géochimiques

• Croûte : Couche extérieure fine s'étendant jusqu'au Moho. Riche en O, Si, Al, Fe et Ca.
• Croûte continentale : Épaisseur de 25 à 70 km. Formée de roches comme le quartz, feldspath, mica, gneiss et schiste.
• Croûte océanique : Plus mince (5 à 10 km), composée de sédiments, basalte et gabbro.
• Manteau : Entre le Moho et Gutenberg (jusqu'à 2 900 km). Composé de péridotite (olivine et pyroxène).
• Noyau : Zone centrale sous Gutenberg. Composé principalement de fer et de nickel.

Unités dynamiques

• Lithosphère : Couche externe rigide comprenant la croûte et une partie du manteau supérieur (50 à 200 km d'épaisseur).
• Manteau supérieur sublithosphérique : Situé sous la lithosphère jusqu'à 670 km. Composé de péridotite solide. À long terme, il se comporte de manière plastique, permettant les courants de convection (asthénosphère).
• Manteau inférieur : Entre 670 et 2 900 km. Soumis à des courants de convection. À sa base se trouve la couche D''.
• Noyau externe : Liquide, agité par des courants de convection, créant le champ magnétique.
• Noyau interne : Fer cristallisé à l'état solide.