UNE VISION DàSEMBLE - LaCaverneD`AliBaba

1
TERRE
UNE VUE D'ENSEMBLE
La Terre est la cinquième planète du Système solaire quant à la masse (que l'on
estime à 5,976 x 1024 kg), son diamètre est de 12 756 km et sa circonférence de
40 000 km, soit près de 40 fois la distance Paris-Rome. Sa densité moyenne est
d'environ 5 g/cm3. Cela veut dire que la Terre est cinq fois plus lourde qu'une
sphère d'eau de la même dimension. Sa forme évoque celle d'une poire très
arrondie et écrasée, présentant deux renflements, l'un au niveau de l'océan
Pacifique, l'autre au niveau de l'océan Atlantique. Cette forme imparfaitement ronde
est due à des irrégularités dans sa composition interne, qui déterminent des
variations locales du champ de gravité. L’aplatissement polaire causé par la rotation
terrestre provoque une déformation permanente de l'équateur, qui n'est pas
circulaire mais elliptique. La température moyenne à la surface de la planète est de
12 °C, une température comprise entre le point d'ébullition et le point de
congélation de l'eau, l'élément qui occupe plus des deux tiers de la surface
terrestre. Aux pôles, la température locale a favorisé la formation d'une solide
calotte de glace permanente. Le tiers restant de la surface est constitué par les
terres émergées. Au-dessus de la surface se trouve l'atmosphère, dont les
constituants principaux sont la vapeur d'eau, le gaz carbonique, l'oxygène et l'azote.
Les plus légers, tels que l'hydrogène et l'hélium, s'échappent facilement dans
l'espace et sont produits de façon constante par les réactions chimiques et
nucléaires de la surface. Dans l'ensemble, 90 % de la Terre est constitué de quatre
éléments : le fer, l'oxygène, le silicium et le magnésium.
La surface de la Terre est remodelée en permanence. Le 27 août 1883, après une
éruption qui dégagea une énergie égale à celle de 100 millions de tonnes de
T.N.T., une grande partie du volcan Krakatoa fut volatilisée, faisant place à une
dépression sous-marine de 300 m de profondeur. Ainsi, l'aspect de la zone, le
détroit de la Sonde qui sépare Java de Sumatra, s'en est trouvé modifié. Ce n'est là
qu'un exemple entre bien d'autres des changements subis par la Terre au cours
des âges, car les déformations de la croûte, les tremblements de terre et les
éruptions volcaniques ne cessent d’engendrer des reliefs, tandis que les pluies, les
éboulements et les rivières tendent à la niveler par les processus d'érosion. Le
principal agent érosif est l'eau, à travers le ruissellement, la dissolution karstique ou
par l'alternance cyclique du gel et du dégel, mais la turbulence de l'atmosphère - le
vent - joue aussi un rôle important. Les phénomènes célestes, aussi, déterminent
des variations, cycliques parfois, comme dans le cas, par exemple, de la position de
la Lune qui engendre le soulèvement périodique des mers responsable des
marées.
La surface de la Terre est fragmentée en une douzaine de plaques lithosphériques
de grandes dimensions, une division qui ne correspond pas du tout à celle des
continents et des nations introduites par l'homme. Tout au plus reflète-t-elle, dans
quelques cas, les divisions naturelles que représentent, par exemple, les chaînes
de montagnes. Les plaques ont une épaisseur de quelque 100 km et couvrent toute
la Terre. Leur présence conditionne le développement des phénomènes
géologiques superficiels et a conditionné aussi dans le temps la distribution des
organismes vivants. Les plaques, par ailleurs, se déplacent l'une par rapport à

2
l'autre, expliquant le fait que des zones géographiques aujourd'hui très éloignées
étaient, il y a des millions d'années, soudées l'une à l'autre.
Selon les reconstructions actuelles, l'histoire de notre planète a commencé il y a
4,6 milliards d'années. De la matière interstellaire froide commença à s'amasser en
une espèce de « nuage », qui avec le temps a fini par former un corps céleste
primitif. L'impact d'autres corps planétaires contribua par la suite à en augmenter
les dimensions et à la réchauffer. En effet, un « petit » corps céleste de 5 t par
exemple, se déplaçant à la vitesse de 30 km/s pouvait libérer, en entrant en
collision avec l'embryon de la Terre, ou Prototerre, une énergie égale à celle d'une
explosion nucléaire d'une kilotonne. Une autre partie de l'énergie provint de la
désintégration des éléments radioactifs présents dans le corps céleste, et cela
détermina son réchauffement progressif, moindre dans la zone superficielle à cause
du froid sidéral extérieur. C'est à ce stade que se produisit la stratification des
éléments chimiques que l'on observe aujourd'hui. Les minéraux les plus denses,
constitués d'éléments lourds tels que le fer et le nickel, précipitèrent vers le centre,
où ils constituèrent l'embryon du noyau de la Terre, tandis que les éléments moins
denses, constitués d'éléments légers comme le silicium, le sodium, l'aluminium et le
calcium, restèrent à l'extérieur ou migrèrent vers la surface pour constituer le
manteau et la croûte. Cette stratification conduisit à la formation de la croûte
terrestre, à la naissance des continents et à la libération de gaz de l'intérieur et,
ainsi, à la formation de l'atmosphère et des océans.
L’INTÉRIEUR DE LA TERRE
LES MÉTHODES D’ÉTUDE
Il existe plusieurs façons d’obtenir des informations sur l’intérieur de la Terre.
L’une est constituée par les forages profonds d’exploration, entreprises lancées
dans les années 70 dans l’ex-Union Soviétique et en Allemagne. Le sondage le
plus profond foré par l’homme, celui de Kola situé dans la péninsule homonyme de
la Russie, a atteint 15 km de profondeur. Il a permis de recueillir de nombreuses
informations pas seulement d’intérêt géologique. Contrairement à ce que l’on
attendait, l’augmentation de température avec la profondeur s’est révélée plus
faible que prévu. On a découvert aussi des micro-organismes fossiles dans des
roches très anciennes. Le problème est que 15 km ne sont presque rien par rapport
aux 6 370 km du rayon de la Terre. Ils ne représentent qu’une petite tranche
superficielle très fine, même si sa perforation pose de gros problèmes techniques.
Par exemple, il est très difficile de forer en se maintenant parfaitement à la
verticale, comme de conserver un diamètre constant à cause des fortes pressions,
et il est très onéreux de ramener à la surface des échantillons avec les 15 000 m de
tiges de sondage.
Un autre moyen d’étude est représenté par les volcans, de véritables « puits
naturels », dont les magmas arrivent souvent de dizaines de kilomètres de
profondeur. Le matériau qui se trouve à l’intérieur de la Terre doit ressembler d’une
façon ou d’une autre à celui qui sort des volcans, même si ce n’est pas le même,
parce qu’avant d’arriver à la surface, il traverse des kilomètres de roches différentes
qui en modifient sa composition (c’est ce qu’on appelle la contamination) ou qui font
office de « filtres ». En tout état de cause, il doit être le fils du matériau originel.

3
On a une idée des minéraux qui composent l’intérieur de la Terre grâce à trois
possibilités : la remontée de matériaux profonds lors de certaines éruptions
volcaniques ; l’observation de terrains formés en profondeur et remontés en surface
lors de grands mouvements tectoniques ayant conduit à la formation de chaînes de
montagnes, et affleurant pour former ce que l’on appelle des ophiolites ; des
expériences de laboratoire où l’on observe la stabilité des minéraux en fonction des
conditions de pression et de température qui règnent à l’intérieur de la Terre à
différentes profondeurs.
De très nombreuses données, enfin, proviennent de l’étude des tremblements de
terre (sismologie). Les premiers à les utiliser comme moyen d’enquête furent les
sismologues d’Europe et des États-Unis, frappés par le fait que les ondes
acoustiques des séismes ayant eu lieu en différents points du monde, même s’ils
étaient très distants l’un de l’autre, arrivaient en même temps. À cette occasion, on
découvrit que les ondes sismiques ne sont pas toutes identiques, mais qu’il existe
des ondes de compression et des ondes de cisaillement. Quand la Terre est
sollicitée pendant une période très courte, comme dans le cas d’un tremblement de
terre, elle réagit comme une corde tendue qui, quand on la pince, vibre et génère à
l’intérieur des ondes élastiques. Comme toutes les ondes, celles-ci aussi se
propagent à une vitesse différente selon, par exemple, la densité du sol. Dans le
sable, elles sont moins rapides que dans des roches comme les calcaires ou les
laves, et cette différence revêt une certaine importance quand les ondes sismiques
sont enregistrées à la surface. En pratique, à partir de la différence de vitesse des
ondes, on peut remonter au type de matériau qui se trouve en profondeur. La
vitesse, en outre, dépend de la nature solide ou liquide du matériau, de la
température, et augmente, comme presque toutes les caractéristiques physiques,
avec la profondeur.
LE MODÈLE EN « OIGNON »
Selon les données actuelles, l’intérieur de la Terre est semblable à un ensemble de
sphères concentriques, séparées par des discontinuités dans lesquelles on
enregistre des changements nets et « soudains » de l’une ou de toutes les
propriétés physiques ou minéralogiques typiques de notre planète.
La croûte terrestre
La croûte terrestre est la pellicule superficielle, froide, de la lithosphère ; la
géosphère la plus externe du globe terrestre. Comme le reste de la lithosphère, elle
est solide.
La croûte est séparée du manteau lithosphérique par une discontinuité sismique
brusque (les vitesses des ondes élastiques passent d'environ 7 km/s à 8 km/s)
traduisant un changement dans la composition chimique des roches : c'est la
discontinuité de Mohorovicic (géophysicien yougoslave) ou en abrégé, le «Moho».
Les géophysiciens distinguent deux types de croûtes à l'histoire et aux
caractéristiques complètement différentes.
La croûte continentale

4
Elle forme l'assise des continents et de leurs marges submergées (marges
continentales) sur une superficie qui représente environ 40 % de celle de la
planète. Cette croûte est relativement légère (densité : environ 2,7) et flotte sur le
manteau supérieur. Étant insubmersible, la croûte continentale préserve
pratiquement toutes les étapes de sa formation (elle est seulement érodable sur
certaines de ses marges par les zones de subduction ou peut être refondue par en
dessous et redigérée par le manteau) et peut avoir un âge considérable (jusqu'à
près de 4 milliards d'années au centre des vieux boucliers).
L'épaisseur moyenne de la croûte continentale est de 35 km, avec des extrêmes de
15 à 20 km dans les zones en forte extension et de 70 à 80 km dans les chaînes de
collision. Dans sa partie supérieure, la croûte continentale, lorsqu'elle est soumise à
des déformations, réagit de manière cassante ou fragile. À plus grande profondeur,
avec l'augmentation de la température elle se comporte de manière ductile.
La croûte océanique
Elle recouvre le reste de la Terre. Créée à l'axe des dorsales d'accrétion océanique,
elle est très peu épaisse (5 à 7 km) et sa densité (environ 3) croît avec l'âge ; elle
finit par être absorbée (avec le reste de la lithosphère dont elle est solidaire), dans
le manteau asthénosphérique, voire plus profondément encore (mésosphère). Il en
résulte que l'âge de la croûte océanique qui forme le plancher des océans n'est
jamais plus vieille que 200 millions d'années environ.
La croûte océanique est constituée de roches de nature basaltique issues de la
fusion partielle des péridotites du manteau. La croûte continentale s'est formée à
partir de processus de différenciation magmatique du basalte océanique dans les
arcs insulaires par le biais de la subduction ; elle est formée de roches -
métamorphisées en profondeur - dont la composition est voisine de celle du granite.
À environ 2 900 km de profondeur se trouve la « discontinuité de Gutenberg », qui
sépare le manteau du noyau terrestre. Le noyau, enfin, présente une surface de
discontinuité interne qui sépare un noyau externe « liquide » d’un noyau interne
« solide ». Comme on l’a vu précédemment, la température augmente avec la
profondeur et l’on estime qu’au centre de notre globe (à plus de 6 300 km), elle est
de l’ordre de 5 000 °C.
On pense aujourd’hui que les discontinuités qui caractérisent l’intérieur de la Terre
se succèdent de manière régulière, autrement dit la Terre ressemblerait à un
oignon. En revanche, ces discontinuités ne semblent pas statiques comme on le
pensait autrefois. Le Moho, par exemple, est déterminé par les géophysiciens du
monde entier, mais dans certaines zones, à des profondeurs deux ou trois fois plus
grandes que dans d’autres. Cela signifie que ces discontinuités elles aussi ont une
histoire, et qu’on peut en rencontrer de « fossiles », et que d’autres se formeront.
Les discontinuités découvertes par l’analyse des ondes sismiques séparent des
portions de la Terre qui ont une composition et un état physique différents. Il s’agit
de trois ou quatre « couches » d’épaisseur variable - lithosphère, manteau, noyau
externe et noyau interne - qui occultent la réponse à de nombreuses questions et,
en particulier, à l’une d’elles : de quoi la Terre est-elle faite ? Qu’y a-t-il exactement
sous nos pieds ?
Même si jusqu’à présent il n’a pas été possible de savoir quels matériaux cache
l’intérieur de la Terre, on peut faire certaines suppositions sur la base des
caractéristiques physiques de la planète, en l’imaginant en particulier comme un
corps solide quelconque. Le paramètre le plus caractéristique est probablement la

5
densité, qui n’est pas la même partout. Dans les roches de la partie la plus
superficielle, elle est en moyenne de 2,8 g/cm3 seulement. Il s’agit donc d’une
valeur inférieure à la valeur moyenne globale terrestre, et cela signifie que les
matériaux qui se trouvent à plus grande profondeur ont une densité plus grande,
autour de 10-13 g/cm3. Des matériaux si lourds doivent être composés
principalement de fer et de nickel, mais en théorie n’importe quel élément
présentant cette densité pourrait constituer l’intérieur de la Terre. En passant des
3 g/cm3 des roches superficielles aux valeurs élevées du manteau et du noyau, la
densité augmente considérablement, mais probablement pas de façon continue.
Tout comme la densité, la vitesse des ondes sismiques augmente en général selon
la profondeur.
La lithosphère
C'est l'enveloppe externe de la Terre, solide et rigide (d'où son nom qui vient du
grec lithos: pierre, et sphère) contrairement au manteau, relativement visqueux. La
lithosphère est constituée de deux couches : en surface, la croûte terrestre
(océanique et continentale) ; en profondeur, la partie la plus superficielle du
manteau.
La différence entre la lithosphère et le manteau asthénosphérique sous-jacent,
n'est donc pas de nature chimique ou minéralogique, mais imputable à un
changement d'état physique : de part et d'autre de cette discontinuité rhéologique
(rhéologie, étude de la déformation des matériaux), on trouve le même manteau
péridotitique, mais qui a subi, en dessous de cette limite, une fusion partielle.
L'épaisseur moyenne de la lithosphère est d'une centaine de kilomètre, mais peut
atteindre quelque 150 km sous certaines portions de continents, ou au contraire
être réduite à quelque kilomètre sous les dorsales d'accrétion océanique (ou rides
médio-océaniques) où se forme la croûte océanique par remontée, près de la
surface, de l'asthénosphère partiellement fondue. En s'éloignant de la dorsale, donc
en prenant de l'âge, la lithosphère océanique se refroidit progressivement et
s'épaissit aux dépens de l'asthénosphère et s'enfonce dans le manteau où elle est
recyclée.
La lithosphère est découpée en calottes sphériques mises en mouvement sous
l'effet de la circulation des cellules de convection qui brassent l'asthénosphère ; ce
processus est appelé tectonique des plaques, et conduit à la formation des grands
reliefs structuraux de la planète. La lithosphère, même si elle est rigide, peut se
comporter de manière élastique quand elle est soumise à une surcharge ou - au
contraire - quand elle est localement allégée par l'érosion : c'est le phénomène de
l'isostasie.
La lithosphère a une composition variable. Au-dessous des continents et sous les
roches sédimentaires de couverture, elle est composée de roches métamorphiques
et de roches ignées comme les granites. La lithosphère océanique est formée
principalement de roches basiques comme les basaltes, les gabbros et, dans la
partie la plus profonde, de péridotites. Plus en surface, elle est couverte par des
dépôts sédimentaires (boues siliceuses, boues calcaires, argiles...) dont l’épaisseur
est d’autant plus grande que l’on s’éloigne de l’axe de la dorsale d’accrétion
océanique où la lithosphère a été créée. De par sa composition, son épaisseur et
ses caractéristiques dynamiques, il s’agit d’une croûte très différente de la croûte
continentale. Une différence importante entre la lithosphère océanique et la
lithosphère continentale tient à ce que la seconde se présente partout mal stratifiée