La structure interne de la Terre fait référence à la distribution spatiale des propriétés chimiques et physiques au sein des composants solides et liquides de la planète. Cette structure est principalement caractérisée par une série de couches distinctes : une croûte externe de silicate, une asthénosphère mécaniquement flexible, un manteau solide, un noyau externe liquide chargé de générer le champ magnétique terrestre par son écoulement, et un noyau interne solide.
La compréhension scientifique de l'architecture interne de la Terre est dérivée de diverses sources empiriques, notamment des observations topographiques et bathymétriques, des affleurements géologiques, des échantillons de roches profondes transportés à la surface par des processus volcaniques, des analyses de propagation des ondes sismiques à travers la planète, mesures des champs gravitationnels et magnétiques de la Terre et expériences en laboratoire sur des solides cristallins dans des conditions imitant l'intérieur des profondeurs.
Caractéristiques globales
Remarque : Le modèle Chondrite (1) postule le silicium (Si) comme élément léger présent dans le noyau. Le modèle de chondrite (2) décrit la composition chimique du manteau, ce qui est cohérent avec le modèle de base présenté dans le modèle de chondrite (1).
La masse de la Terre peut être déterminée avec précision en mesurant la force gravitationnelle qu'elle exerce ou par les astronomes analysant la mécanique orbitale des satellites. La densité moyenne de la planète peut être déterminée grâce à des expériences gravimétriques, utilisant historiquement des pendules. La masse approximative de la Terre est de 6×1024 kg, avec une densité moyenne de 5,515 g/cm§1112§.
Stratification
La structure interne de la Terre peut être délimitée à travers deux systèmes de classification principaux : les propriétés mécaniques, en particulier la rhéologie, ou la composition chimique. Mécaniquement, la planète est subdivisée en lithosphère, asthénosphère, manteau mésosphérique, noyau externe et noyau interne. Chimiquement, la Terre comprend la croûte, le manteau supérieur, le manteau inférieur, le noyau externe et le noyau interne. Ces couches géologiques sont disposées séquentiellement avec une profondeur croissante à partir de la surface.
La croûte et la lithosphère
La couche la plus externe de la Terre, la croûte, varie en profondeur de 5 à 70 km (3,1 à 43,5 miles). La croûte océanique plus mince, sous-jacente aux bassins océaniques (5 à 10 km), se caractérise par sa composition mafique, constituée de minéraux denses de silicates de fer et de magnésium ou de roches ignées. À l’inverse, la croûte continentale, plus épaisse, est moins dense et riche en felsiques, composée de roches ignées abondantes en éléments formant du feldspath et du quartz. Les roches crustales sont largement classées en sial (silicate d'aluminium) et sima (silicate de magnésium). On estime que Sima commence à environ 11 km sous la discontinuité de Conrad ; cependant, cette discontinuité n'est pas toujours clairement définie et peut être absente dans certaines zones continentales.
La lithosphère terrestre englobe à la fois la croûte et la partie supérieure du manteau. La frontière entre croûte et manteau se manifeste par deux phénomènes physiques distincts. Premièrement, la discontinuité de Mohorovičić (Moho) représente une forte modification de la vitesse des ondes sismiques, attribuable à un changement de densité des roches. Au-dessus du Moho, les vitesses des ondes sismiques primaires (onde P) s'alignent sur celles observées dans le basalte (6,7 à 7,2 km/s), tandis qu'en dessous, les vitesses sont comparables à celles de la péridotite ou de la dunite (7,6 à 8,6 km/s). Deuxièmement, au sein de la croûte océanique, une discontinuité chimique existe entre les cumulats ultramafiques et les harzburgites tectonisés. Cela a été mis en évidence par les observations de sections profondes de la croûte océanique qui ont été obductées sur la croûte continentale et préservées sous forme de séquences d'ophiolite.
Bien qu'une partie importante des roches de la croûte terrestre soit apparue au cours des 100 derniers millions d'années, la découverte de grains minéraux datant d'environ 4,4 milliards d'années suggère la présence d'une croûte solide sur Terre pendant au moins cette durée.
Le Manteau
Le manteau terrestre, qui s'étend jusqu'à une profondeur de 2 890 km (1 800 miles), constitue la couche la plus importante de la planète, représentant environ 45 % du rayon total de la Terre (6 371 km ou 3 959 mi) et représentant 83,7 % de son volume, soit nettement plus que les 0,6 % de la croûte. Structurellement, le manteau est délimité en une section supérieure et inférieure, délimitée par une zone de transition distincte. La couche D″ (D-double-prime) désigne la région la plus profonde du manteau, immédiatement adjacente à la limite noyau-manteau. À sa base, le manteau subit des pressions d'environ 140 GPa (1,4 Matm). Sa composition est principalement constituée de roches silicatées, qui présentent des concentrations plus élevées de fer et de magnésium que la croûte sus-jacente. Malgré son état solide, le matériau silicaté intensément chaud du manteau présente des propriétés rhéologiques, lui permettant de s'écouler sur des échelles de temps géologiques. La convection du manteau est le mécanisme fondamental qui entraîne le mouvement des plaques tectoniques au sein de la croûte terrestre. Ce processus convectif est alimenté par la chaleur générée par la désintégration des isotopes radioactifs présents à la fois dans la croûte et le manteau, complétée par la chaleur primordiale résiduelle de l'accrétion de la planète, qui provient de l'énergie potentielle libérée lors de l'effondrement gravitationnel et de l'énergie cinétique de la matière en accrétion.
La pression croissante à de plus grandes profondeurs dans le manteau inhibe le flux de ses régions inférieures, bien que les variations chimiques intrinsèques puissent également jouer un rôle important. La viscosité du manteau s'étend sur une plage considérable, de 1021 à 1024 pascal-secondes, présentant une augmentation proportionnelle à la profondeur. Pour le contexte, l'eau à 300 K (27 °C ; 80 °F) possède une viscosité de 0,89 millipascal-seconde, tandis que la poix mesure environ (2,3 ± 0,5) × 108 pascal-seconde.
Core
Le noyau externe de la Terre est une couche fluide d'environ 2 260 kilomètres (1 400 miles) d'épaisseur, constituant environ 36 % du rayon de la Terre et 15,6 % de son volume total. Cette couche, principalement composée de fer et de nickel, est située entre le noyau interne solide et le manteau sus-jacent. Sa limite supérieure est située à 2 890 kilomètres (1 800 miles) sous la surface de la Terre. L’interface entre les noyaux interne et externe se trouve à une profondeur approximative de 5 150 kilomètres (3 200 miles) sous la surface. Le noyau interne de la Terre représente la couche géologique la plus interne de la planète. Cette couche est principalement une sphère solide d'un rayon d'environ 1 220 kilomètres (760 miles), ce qui équivaut à environ 19 % du rayon de la Terre et 0,7 % de son volume, soit 70 % du rayon de la Lune.
Découvert en 1936 par Inge Lehmann, le noyau interne est principalement composé de fer avec une proportion mineure de nickel. Sa capacité à transmettre des ondes de cisaillement (ondes sismiques transversales) constitue une preuve irréfutable de son état solide. Cependant, les résultats expérimentaux ont parfois divergé des modèles cristallins dominants du noyau. D'autres investigations expérimentales révèlent des divergences dans des conditions de pression extrême : des études statiques sur enclume de diamant, menées à des pressions centrales, indiquent des températures de fusion inférieures d'environ 2 000 K à celles dérivées d'études laser à choc dynamique. Les expériences basées sur le laser génèrent du plasma, ce qui suggère que pour définir avec précision les conditions du noyau interne, il faut déterminer s'il existe sous forme de solide ou de plasma présentant une densité semblable à celle d'un solide. Cela reste un domaine de recherche scientifique actif.
Au cours des premières étapes de la formation de la Terre, il y a environ 4,6 milliards d'années, une fonte importante a facilité un processus connu sous le nom de différenciation planétaire, dans lequel des substances plus denses gravitaient vers le centre de la planète, tandis que des matériaux moins denses montaient pour former la croûte. Par conséquent, le noyau est théoriquement constitué principalement de fer (environ 80 %), accompagné de nickel et de divers éléments légers. D'autres éléments denses, tels que le plomb et l'uranium, sont soit trop rares pour constituer des constituants substantiels, soit se lient préférentiellement à des éléments plus légers, restant ainsi dans la croûte. Une hypothèse postule que le noyau interne pourrait exister sous la forme d'un cristal de fer singulier.
Dans une expérience en laboratoire, un échantillon d'alliage fer-nickel a été soumis à des pressions analogues à celles trouvées dans le noyau terrestre en étant comprimé dans une cellule à enclume en diamant, suivi d'un chauffage à environ 4 000 K. L'observation ultérieure aux rayons X de l'échantillon a fortement corroboré la théorie selon laquelle le noyau interne de la Terre est composé de cristaux colossaux orientés le long d'un axe nord-sud.
La composition de la Terre présente des ressemblances significatives avec des météorites chondrites spécifiques et même avec certains constituants élémentaires trouvés dans les couches externes du Soleil. À partir des années 1940, des géophysiciens, notamment Francis Birch, ont développé des modèles géophysiques basés sur l'hypothèse que la composition de la Terre reflète celle des chondrites ordinaires, qui sont les météorites les plus fréquemment observées impactant la Terre. Cette opinion dominante néglige cependant les chondrites à enstatite, moins courantes. Ces météorites sont originaires d'environnements avec une disponibilité en oxygène extrêmement limitée, ce qui entraîne la présence de certains éléments typiquement oxyphiles, partiellement ou entièrement, dans le composant d'alliage analogue au noyau terrestre.
La théorie de la dynamo postule que le champ magnétique terrestre provient de la convection dans le noyau externe, couplée à l'effet Coriolis. Bien que la température du noyau interne solide, dépassant sa température de Curie, empêche le maintien d'un champ magnétique permanent, on suppose qu'elle contribue à la stabilisation du champ magnétique généré par le noyau externe liquide. On estime que le champ magnétique à l'intérieur du noyau externe de la Terre est en moyenne de 2,5 milliteslas (25 gauss), une force cinquante fois supérieure à celle observée à la surface de la planète.
Le champ magnétique, généré par le flux à l'intérieur du noyau, est crucial pour protéger la vie du rayonnement interplanétaire et pour empêcher l'atmosphère terrestre d'être détruite par le vent solaire. Bien que le taux précis de refroidissement par conduction et convection reste incertain, une projection suggère que le noyau ne devrait pas se solidifier avant environ 91 milliards d'années. Cette période s'étend bien au-delà de la durée de vie prévue du Soleil, qui devrait se développer, stériliser la surface de la planète et finalement cesser d'exister.
Sismologie
La stratification interne de la Terre a été indirectement déduite grâce à l'analyse des temps de parcours des ondes sismiques réfractées et réfléchies générées par les tremblements de terre. Notamment, le noyau empêche la transmission des ondes de cisaillement et la vitesse sismique varie nettement selon les différentes couches. Les variations de vitesse sismique entre ces couches induisent une réfraction, conforme à la loi de Snell, analogue à la courbure de la lumière lors du passage à travers un prisme. De même, les réflexions se produisent en raison d'augmentations substantielles de la vitesse sismique, semblables à la lumière réfléchie par un miroir.
Terre creuse
- Terre creuse
- Histoire géologique de la Terre
- Grandes provinces à faible vitesse de cisaillement
- Discontinuité de Lehmann
- Modèle anti-pluie
- Tomographie sismique : méthodologie d'imagerie du sous-sol terrestre grâce à l'analyse des ondes sismiques.
- Voyager vers le centre de la Terre
- Terre solide
Références
- Médias liés à la structure de la Terre sur Wikimedia Commons