Investigations indirectes (géophysique)
La tomographie sismique
En géophysique, la tomographie sismique est une méthode utilisant les enregistrements des tremblements de terre pour cartographier la structure interne de la terre et ses propriétés physiques et minéralogiques.
Principe expérimental
À l'aide des enregistrements de plusieurs sismographes, on détermine expérimentalement à la suite d'un séisme la position de son épicentre le plus précisément possible. Les vibrations qui se propagent ensuite à travers tout le globe sont pareillement enregistrées.
Ces phénomènes ondulatoires sont soumis à des lois physiques telles que la réflexion ou la réfraction. Par analogie, les ondes sismiques se "comportent" comme des rayons lumineux. Ainsi, en appliquant les lois de Snell-Descartes de réfraction on déduit qu'elles ne se déplacent pas toutes à la même vitesse suivant le milieu qu’elles traversent.
L’examen attentif des courbes du temps mis selon la distance parcourue par les ondes permet alors d'évaluer le contenu de la Terre : une onde ira plus lentement dans un matériau plus mou (densité plus faible), et plus rapidement dans un matériau plus dur (densité plus élevée).
Types d'ondes
Il est à noter que 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, ne se propagent que dans la croûte et ne donnent aucune information sur les couches profondes.
Les ondes sont de deux types : P et S. 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. 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.
L'interprétation des graphes
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.
Toutes ces ondes sont désignées par des lettres différentes qu’on peut ensuite combiner au fur et à mesure de leur évolution (voir tableau ci-dessous).
| onde P | onde S | |
|---|---|---|
| manteau | P | S |
| noyau externe | K | - |
| noyau interne | I | J |
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 est une onde P qui ressort en surface après avoir traversé le noyau externe liquide (trajet = manteau / noyau ext. / manteau).
L’appellation peut être allongée autant que nécessaire. Par exemple, 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, et enfin réapparaissant à la surface, sera appelée PKIKPPKIKP.
Discontinuités
En suivant le principe que dès que la vitesse d'une onde sismique change brutalement et de façon importante, cela signifie qu'il y a changement de milieu, les différentes couches séparées par des discontinuités ont pu être établies.
L’étude du magnétisme
Sous l'effet de sa rotation et des mouvements internes des métaux en fusion de son noyau, la Terre se comporte comme une sorte de dynamo, dont résulte un champ magnétique. Celui-ci est peu important par rapport aux aimants industriels, mais est suffisant pour dévier l’aiguille d'une boussole et protéger en partie la surface terrestre de rayons cosmiques, comme ceux des vents solaires, qui perturberaient sinon les appareils électroniques.
Ce champ varie dans le temps. Dans la vie de la Terre, il s’est même inversé des centaines de fois, pour des raisons encore méconnues, mais qui occupent une recherche active. Celle-ci n'a pas pour le moment permis de mettre en évidence un effet dynamo dans une sphère en rotation lente, mais a montré la formation de colonnes de convection à certaines températures selon la viscosité des fluides et la vitesse de rotation. Ces mouvements sont apparemment compatibles avec ce que nous connaissons du champ électromagnétique terrestre.
L’étude des météorites
Afin de comprendre comment les couches successives de la Terre se sont progressivement différenciées, il est utile de connaître la composition exacte du matériau primitif qui lui a donné naissance.
Ses éléments indispensables 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 de l’enstatite, un silicate de magnésium (MgSiO3) extrêmement fréquent dans le manteau terrestre. Les météorites carbonées CI, plus primitives, montrent du fer totalement oxydé. 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 celles 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). Ces météorites ont une taille bien trop faible pour être différenciées : leurs éléments y sont restés répartis de façon relativement homogène.
Investigations directes
Exploration humaine
L'exploration humaine du cœur de la Terre est sujette à beaucoup de rêves et fantasmes, comme illustré dans le roman Voyage au centre de la Terre de Jules Verne.
Dans les faits, en 1956 au Gouffre Berger, dans le massif du Vercors (Isère) la profondeur symbolique de –1 000 mètres est atteinte pour la première fois. En 2005, la profondeur spectaculaire des –2 000 mètres est dépassée par des spéléologues à Krubera-Voronja (ex gouffre Voronja), dans le Caucase occidental (Abkhazie).
Par ailleurs, la variété des terrains explorés dans les mines est beaucoup plus importante que les étendues de roches sédimentaires parcourues par les spéléologues et les terrains exploités sont bien plus anciens. Les mineurs y côtoient quotidiennement le phénomène d’élévation de la température qui dès le xviiie siècle influera sur les hypothèses d’un globe au cœur en fusion. Toutefois, même les mines les plus profondes du monde (~3 500m pour la Tau Tona d'Afrique du Sud en 2002) ne font qu’effleurer l’écorce terrestre.
La simple exploration humaine ne suffit pas à la connaissance du contenu profond du globe. Au-delà de deux kilomètres, l'exploration indirecte est nécessaire.
Les forages profonds
Site du forage de Kola en 2007.
L’objectif des forages profonds est de mieux connaître la lithosphère et d’atteindre la zone de transition entre celle-ci et le manteau supérieur : le Moho.
Deux exemples : le programme KTB (Kontinental Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik), qui a atteint 9 800 mètres sous l’Allemagne, et le forage sg3 de 12 600 mètres dans la péninsule de Kola (Russie) qui a duré de 1970 à 1989. À cette profondeur, la température observée était de 180 °C alors que l'on s'attendait plutôt à une température de l'ordre de 200 °C. Le gradient géothermique de 1 °C/60 m (la température s'élève avec la profondeur en moyenne de 1 °C tous les 60 m) y est deux fois plus faible que celui mesuré par la plupart des sondages.
Si ces forages ont permis de confirmer la structure et la composition de la croûte, ou de tracer des profils sismiques régionaux, ils ne dépassent pas la croûte terrestre, ce qui ne représente même pas la peau d'une orange mise à l'´échelle de la planète.
La croûte océanique étant plus mince que les plaques continentales, plusieurs projets de forage océanique ont vu le jour, MOHOLE puis DSP (1968-1983) aux États-Unis, puis des programmes internationaux comme ODP (1985-2003) et IODP (2003-2013). Pour l'instant, aucun navire n’a encore réussi à forer jusqu’à la discontinuité de MohoroviÄić.
2018-11-14 17:54:13 / mazoughou@magoe.gn
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