Voyage au centre de la Terre

Lac de laveConnaissez-vous la structure de la Terre ? Pour ma part, je pensais avoir une idée raisonnable sur cette question, mais je me suis rendu compte en préparant ce billet que quelques unes de mes conceptions étaient totalement fausses !

J’ai aussi été frappé par le nombre de choses que l’on peut apprendre sur ce qu’il y a à l’intérieur de notre planète, alors que contrairement aux héros de Jules Verne, nous n’y avons jamais mis les pieds !

Alors croûte, manteau et noyau : voyons ce que l’on sait actuellement de la structure interne de notre bonne vieille Terre.

Une croûte si fine

Earth_structure

C’est ce qu’on apprend à l’école : la Terre possède une structure en oignon, divisée en 3 grandes parties dont les noms doivent vous être familiers : la croûte, le manteau et le noyau. Le schéma ci-contre (adapté de Wikimedia) en montre une version détaillée.

Avec ce genre de dessin, il y a quelque chose qu’on a du mal à réaliser : la croûte est extraordinairement fine ! Songez qu’en moyenne elle ne fait qu’une trentaine de kilomètres alors que le rayon de la Terre est d’environ 6350 km. Pour faire une comparaison, si la Terre était un ballon de foot, la croûte ne ferait qu’un millimètre d’épaisseur.

Et pourtant, nous avons à peine égratigné cette croûte : la mine la plus profonde du monde est celle de Tau Tona en Afrique du Sud, et elle ne descend qu’à 4 kilomètres de profondeur. Quant au trou le plus profond jamais réalisé, il a été creusé en Russie et a atteint en 1989 le record de 12km. Comme vous le voyez, nous sommes loin d’atteindre le centre de la Terre !

Non, le manteau n’est PAS liquide

En-dessous de la croûte, il y a le manteau. Je me suis longtemps représenté le manteau comme une sorte d’océan de roches en fusion sur lequel les continents flottaient et dérivaient. Mais non, j’avais tout faux : le manteau n’est pas liquide, il est solide !

geotherme annotéPlus on va vers le centre de la Terre, plus la température augmente, on peut donc penser qu’on finit par trouver des roches en fusion. Mais la pression augmente aussi terriblement. Or la température à laquelle un corps fond augmente avec la pression.

Même si les valeurs exactes ne sont pas parfaitement connues, j’ai réalisé le graphique ci-contre pour montrer comment la pression et la température augmentent quand on s’enfonce dans les profondeurs.

Si on prend un endroit typique dans le manteau, on voit que la température (en bleu) y est d’environ 2000°C. Alors oui, à cette température-là à la surface, les roches seraient fondues. Mais la pression (en rouge) y est environ 500 000 fois la pression atmosphérique. Et on a pu mesurer qu’à de telles pressions, il faudrait des températures supérieures à 3000°C pour faire fondre les roches. Donc dans le manteau, les roches ne sont pas fondues, mais à l’état solide !

Un noyau en deux morceaux

Alors que la croûte et le manteau sont principalement constitués de minéraux rocheux, le centre de la Terre – appelé noyau – est fait de métal : principalement du fer et un peu de nickel. La raison en est que le fer est environ 2 fois plus dense que les minéraux rocheux, et qu’il a donc coulé au centre de la Terre lors de sa formation.

Dans la partie externe du noyau, la température est d’environ 4000°C et la pression 2 millions de fois la pression atmosphérique. A cette pression, le fer fond à environ 3500°C, et il se trouve donc à l’état liquide ! Le noyau externe est donc un océan de métal liquide, dont on pense qu’il est agité de nombreux courants, et que par un effet dynamo ces courants sont responsables du champ magnétique terrestre.

Mais au fur et à mesure que l’on descend, la pression augmente de plus en plus, et finit par être telle que le fer ne peut plus être liquide : il devient solide. La partie interne du noyau que l’on appelle la graine est donc comme un gros bloc de métal à 5000°C, mais solidifié sous l’effet de la pression monstrueuse qui y règne.

La convection dans le manteau

Je ne suis certainement pas le seul à avoir cru longtemps que le manteau était liquide, et je pense que cette erreur a au moins deux origines. D’une part la théorie de la dérive des continents tend à nous faire penser que l’on flotte sur un océan de roches liquides. Et en plus ceci semble corroboré par les volcans qui nous montrent bien des roches en fusion arrivant des profondeurs.

convection manteauEt pourtant on sait aujourd’hui que le magma liquide n’est qu’un cas très particulier, et que le manteau est pour sa très grande majorité bien constitué de roches solides. Et pourtant, le manteau se comporte un peu comme un liquide !

En effet sur des temps extrêmement longs, les roches se déplacent et se déforment. Et de même que dans une pièce l’air chaud monte et l’air froid descend, les roches du manteau les plus chaudes s’élèvent et les plus froides s’enfoncent : c’est ce mouvement global appelé convection qui est à l’origine du mouvement des plaques comme le montre le schéma (toujours adapté de Wikimedia). Mais retenez que pour que ces mouvements existent, il faut des temps géologiques !

Un autre manière de le dire, c’est que le manteau solide se comporte comme un liquide fabuleusement visqueux. On estime que la viscosité du manteau est environ  1 000 000 000 000 000 000 fois celle du miel, alors que la lave qui coule d’un volcan n’est que 10 à 100 fois plus visqueuse que le miel.

Mais comment sait-on tout ça ?

Il y a quelque chose de fascinant à penser que l’on arrive à obtenir toutes sortes de détails sur la structure de la Terre, alors que manifestement nous n’y sommes jamais allés !

Newton le premier avait calculé la masse de la Terre (connaissant l’intensité du champ de pesanteur), et en avait déduit sa densité moyenne : environ 5,5. Il avait alors noté que cette valeur était bien au-dessus de la densité des roches que l’on trouve en surface, environ 3, et que donc à l’intérieur de la Terre devaient se trouver des zones beaucoup plus denses : on sait aujourd’hui que c’est le métal du noyau, 2 à 3 fois plus dense que les roches.

sismographeUne partie des informations dont on dispose provient également des météorites tombées sur Terre, dont certaines sont comme des mini-planètes et nous donnent des indices sur la structure de la nôtre. Mais les renseignements les plus précieux nous viennent de l’étude des ondes sismiques. Depuis le début du XXème siècle, on dispose en effet de sismographes un peu partout sur Terre, et quand un séisme suffisamment puissant se produit, on peut étudier quand et comment il est détecté aux différents endroits du globe.

On sait par exemple que la vitesse des ondes dépend de la densité du milieu, que des changements de densité peuvent induire des changements de direction. On sait également  que certaines ondes ne peuvent pas traverser les liquides, ce qui a permis de détecter le caractère liquide du noyau externe. Au fur et à mesure de l’amélioration de la précision des détecteurs, on a pu ainsi obtenir des informations de plus en plus détaillées sur la structure de notre planète aux différentes profondeurs, et tout ça sans creuser de trou pour aller au centre de la Terre !

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Sur la notion de viscosité Jésus et la Maïzena,

ainsi que Le nombre de Reynolds

Sur les viscosités énormes L’expérience de la goutte de poix,

et leur lien avec états de la matière Le verre cet inconnu


Pour aller plus loin : des ondes sismiques à la structure de la Terre

composition et structure de la TerrePremière observation pour ceux qui veulent aller plus loin : j’ai totalement laissé dans l’ombre le fait que pour décrire la structure de la Terre en fonction de la profondeur, on utilise en fait deux classifications. L’une est basée sur la composition, et distingue la croûte, le manteau et le noyau, et l’autre basée sur les propriétés mécaniques.

Comme vous le voyez, les deux classifications sont assez proches, la principale différence provient du fait que ce qu’on appelle la lithosphère (la couche qui dérive) est un peu plus épais que la simple croûte, et comprend la partie supérieure du manteau. J’ai longtemps cru que croûte et lithosphère étaient synonymes, mais non !

Pour les plus curieux de la physique des ondes, on s’intéresse à deux types d’ondes sismiques, appelées P et S. Les ondes P sont des ondes de pression, dont le déplacement est dans la direction de propagation, de manière analogue aux ondes sonores. Les ondes S sont des ondes de cisaillement, dont le déplacement est perpendiculaire à la direction de propagation. La différence est très bien illustrée avec ces gros ressorts mous avec lesquels on peut jouer (source) : au-dessus les ondes P, en dessous les ondes S

ressort ondes P séisme

ressort ondes S séisme

Deux éléments essentiels à connaître sur ses ondes : les ondes S ne peuvent pas traverser les liquides, alors que les ondes P le peuvent. Et enfin la vitesse des ondes augmente avec la densité du milieu traversé. Comme pour les rayons lumineux, un changement de milieu (donnant lieu à un changement de vitesse) provoque un phénomène de réfraction qui modifie la direction de propagation. C’est à partir de ces principes que l’on a pu identifier les profondeurs où se produisent les différents changements de densité ou d’état. En couplant cela à des mesures en laboratoire de la température de fusion des roches et du fer à différentes pressions, on obtient le modèle actuel de la structure de la Terre.

Pour illustrer un peu plus cette histoire de variation de la température de fusion, la courbe ci-dessous montre la variation de la température en fonction de la pression au fur et à mesure que l’on s’enfonce dans les profondeurs de la Terre. La courbe verte montre la température de fusion de la roche MgSiO3 appellée « perovskite » en fonction de la pression, et la courbe grise celle du fer.

Geotherme courbe fusion fer perovskite température et pression

On voit que dans le manteau, la température est toujours inférieure à la température de fusion, alors que dans le noyau on traverse la courbe de fusion, et on passe donc d’un état de fer liquide à un état de fer solide.

Il est assez fascinant de penser que la compréhension de la structure de la Terre est le résultat d’observations à très grande échelle – les ondes sismiques – couplées à des manips très petites mais en conditions extrêmes, qui permettent de soumettre des matériaux à des températures et des pressions énormes pour mesurer leur état. L’une de ces mesures a d’ailleurs tout récemment été faite par des chercheurs français et prédit une température de fusion du fer à la limite noyau-graine de l’ordre de 6000°C, soit significativement plus que la courbe que j’ai représenté ci-dessus ! Il se pourrait donc que le centre de la Terre soit donc plus chaud que l’on pensait avant (Anzellini, S., et al. « Melting of Iron at Earth’s Inner Core Boundary Based on Fast X-ray Diffraction. » Science 340.6131 (2013): 464-466.)

Références : Les données pour le graphique de température et pression

Boehler, Reinhard. « Melting temperature of the Earth’s mantle and core: Earth’s thermal structure. » Annual Review of Earth and Planetary Sciences 24.1 (1996): 15-40.

29 réflexions sur “Voyage au centre de la Terre

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  4. Effectivement j’imaginais bien un Manteau liquide… mais alors s’il s’agit de roches solides, qu’est-ce qui marque la frontière croûte-manteau dans la classification basée sur la composition? Une nature de roches différente?

    • Oui c’est exactement ça, la nature du minéral change. Dans la croute il y a plein de minéraux différent, mais un truc typique comme le granite a une densité de 2.7. Dans le manteau un minéral typique c’est l’olivine, qui a une densité de 3.7. C’est cette différence de densité qui est « vue » grâce aux ondes sismiques.

      • ok! du coup la « finesse » de la croute est un peu moins impressionnante, puisque c’est finalement tout l’ensemble croute-manteau qui flotte… ouf 😉

  5. « Alors que la croûte et le manteau sont principalement constitués de minéraux rocheux. » Je ne sais pas ce que vous entendez exactement par « minéraux rocheux » mais l’expression est impropre : une roche est par définition composée d’un ou de plusieurs minéraux. A ma connaissance, un minéral ne peut pas être « rocheux ».

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  11. d’où viens le Magma, je précise.
    pourquoi certain endroit de la terre produit ce phénomène particulier qu’est le Magma si en fait le manteau terrestre se trouve à être une roche à densité solide.
    que produit se phénomène,
    pourquoi certain volcan s’éteint,
    et en final, d’où commencent ces cheminées qui dirige le magma jusqu’à la surface (manteau, poches particulières, ou carrément du noyau).

    • Le magma est produit par la fusion partielle du manteau lorsque la pression diminue suffisamment (par exemple au niveau des dorsales medio-océaniques). Il est acheminé à la surface par un réseau de fractures présent dans la croûte terrestre (et peut parfois être stocké dans la croûte pendant un certain temps). Ces cheminées ne sont présentes que dans la croûte, plus en profondeur les conditions ne permettent pas l’ouverture de tels conduits (le magma circule alors de façon diffuse).
      Ce qui fait que certains volcans s’éteignent, c’est l’évolution de la position des plaques de la croûte qui va contrôler les zones où le magma peut parvenir à la surface et donc alimenter un volcan déjà existant ou bien en créer un nouveau. Un bon exemple de ceci est la chaîne des volcans hawaïens.

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  13. Bonjour,

    La seule chose un peu chagrinante ici est l’explication du noyau. Je cite :
    « le centre de la Terre – appelé noyau – est fait de métal : principalement du fer et un peu de nickel. La raison en est que le fer est environ 2 fois plus dense que les minéraux rocheux, et qu’il a donc coulé au centre de la Terre lors de sa formation. »

    Il serait censé, d’après cette explication, de penser que le noyau soit composé alors, par n’importe quel métal plus lourd que le fer. D’ailleurs le nickel en fait parti.
    Et pourtant il y en aurait que peu.
    Je ne nie pas ce que les observations nous en relèvent, mais plutôt leurs explications…

    Si certains ont des réponses, je suis preneur 🙂

    Amicalement
    Gus

    • C’est un probleme d’abondance. D’une manière générale dans le système solaire, le fer et le nickel sont très abondants par rapport à d’autres éléments denses (par exemple l’or) (http://www.elementschimiques.fr/?fr/proprietes/abondances/abondance-dans-le-systeme-solaire). L’accretion de la Terre à partir d’un nuage de matière, s’est accompagnée d’une migration des éléments par densité formant des couches différenciées, les éléments les plus denses s’accumulant au centre centre du planétoïde. Le centre de la Terre est donc constitué des éléments denses les plus abondants dans le nuage de matière initiale fixant ainsi sa densité au noyau: environ 8 soit plus que le fer (7.9) mais moins que le nickel (8.9). Il y a très probablement d’autres élément plus dense que ces deux là dans les noyaux mais en quantité bien inferieure (cf. Courbe d’abondance citée plus haut).

      • Bonjour,
        je suis bien d’accord, mais cela n’explique pas le fait qu’il n’y ait pas plus de nickel que de fer par exemple.
        Car ici, nul question de différence en ce qui concerne l’abondance par rapport à la proportion fer/nickel du noyau…
        En clair la proportion (suivant ton lien) d’abondance fer et nickel dans notre système solaire, ne reflète pas la proportion que compose le noyau terrestre. Pourtant, si la densité était en jeu, nous devrions retrouver cette correspondance lors de la formation, ce qui est loin d’être le cas.
        De toute façon, tant que l’on aura pas résolu le problème d’accrétion planétaire, on aura beau expliquer ce que l’on veut en ce qui concerne le noyau, toute théorie explicative, reste avec des lacunes et des faits inexpliqués, telle la mise en rotation de ce même noyau.
        Je te remercie d’avoir toutefois essayé de m’apporter une réponse.

        Amicalement
        Gus

      • Je ne suis pas sûr de comprendre ta question je pense. Le probleme est-il que la proportion en fer et nickel de la Terre ne reflète pas exactement l’abondance de ces éléments dans le système solaire (celle cité dans le lien)?
        Si c’est le cas, c’est peut être dû au fait que c’est une courbe d’abondance à l’échelle de tout le système solaire qui ne reflète donc la composition d’aucune planète en particulier mais de toute en moyenne. Ce nuage lui aussi c’est différencié et chaque planète s’est accretée à partir de la composition du nuage au niveau de l’orbite considérée.
        Je suis très loin d’être un expert mais il me semble que d’après ce que l’on sait sur l’intérieur des planètes , la proportion en éléments denses dans les planètes telluriques augmente à mesure qu’on s’approche du Soleil (avec de grosses pincette, je vais essayer de vérifier ça).
        Ce que je suppose donc est que, plus on se rapproche du soleil, plus la proportion en éléments denses est importante dans le nuage de poussière à l’origine de chaque planète. C’est bien sûr à vérifier.

      • Vérifions alors:

        MERCURE:
        Mercure est la planète la plus proche du Soleil et la moins massive du Système solaire.
        La planète possède un noyau métallique correspondant à un minimum de 55 % de la masse de la planète, proportionnellement plus gros que celui de la Terre (environ 33 % en masse pour la Terre).
        Des recherches récentes suggèrent que ce noyau est liquide (fer et du nickel), au moins dans sa partie externe. La composition interne de la planète est de 70 % de métaux (principalement dans le noyau) et 30 % de silicates (manteau). La masse volumique moyenne est de 5,430 g⋅cm-3, ce qui est comparable à la masse volumique terrestre (5,515 g⋅cm-3). À partir d’observations depuis la Terre, les astronomes savaient avant même d’envoyer Mariner 10 que Mercure était à peu près aussi dense que la Terre. En revanche, ils ne s’attendaient pas à ce que la croûte de Mercure soit d’une si faible densité, d’après les mesures effectuées par la sonde américaine. Ces résultats indiquent que Mercure possède un énorme noyau métallique occupant 42 % du volume planétaire, avec un rayon de 75 % de celui de la planète. En comparaison, le noyau de la Terre, lui, ne remplit que 17 % de son volume. Ceci implique que Mercure possède — en proportions — une quantité de fer deux fois plus importante que tout autre objet du Système solaire. C’est la raison pour laquelle on la surnomme parfois « la planète métallique » ou « la planète de fer ».

        La raison pour laquelle Mercure possède un noyau si gros est encore inconnue et l’un des objectifs principaux des prochaines missions vers Mercure est d’étudier et comprendre la structure interne de la planète.
        Cet énorme noyau est recouvert d’un manteau de silicate d’une épaisseur de 500 à 600 km, puis d’une croûte. L’étude du spectre de la planète montre que la surface semble pauvre en métaux, ce qui intrigue les scientifiques. Sur Terre, le fer est abondant en surface. Cet élément est même présent dans chaque couche de la planète. Mercure a dû connaître un processus différent lors de sa formation.
        Selon des données plus récentes, Mercure aurait une couche externe solide de 410 km composée d’une croûte d’une cinquantaine de kilomètres surplombant une couche de sulfure de fer cristallisé. En dessous se trouverait le noyau ferreux, liquide au moins dans sa partie externe et probablement solide au cœur.
        Du fait de son important noyau ferreux et de son importante densité, Mercure est une planète très massive pour sa petite taille. Par comparaison, Ganymède, un satellite de Jupiter, est légèrement plus grande que Mercure pour une masse deux fois moindre.

        VENUS:
        Vénus possèderait un manteau rocheux représentant environ 52,5 % du rayon de la planète, composé essentiellement de silicates et d’oxydes de métaux.

        Le noyau de Vénus serait constitué de deux parties : un noyau externe constitué de fer et de nickel liquides qui représenterait environ 30 % du rayon de la planète ; un noyau interne composé de fer et de nickel solides qui représenterait environ 17 % du rayon de Vénus. Mais cette précision est spéculative en 2009, car contrairement à la Terre, il n’y a pas eu de mesures sismiques. Il n’est pas impossible que le noyau de Vénus soit entièrement liquide. Certains indices pourraient aller dans ce sens, comme l’absence de champ magnétique.

        Ta théorie ne tient donc pas, à la vue des 2 1ère planète.
        Voici un lien intéressant pour te faire une idée de la divergence des cas rencontrés rien que pour notre système solaire interne :
        https://fr.wikipedia.org/wiki/Noyau_%28plan%C3%A8te%29

        Si je m’interrogeais sur les faits observationnels du noyau terrestre, c’est parce que justement aucun scientifique au monde n’est en mesure d’expliquer correctement le principe d’accrétion d’un objet stellaire.
        Le principe du petit nuage de gaz qui se condense tout seul comme un grand, valait il y a de cela 50 ans, ou reste valide pour une application scolaire de collège.
        Cependant personne ne sait comment le processus peut ou ne peut se déclencher, quels sont les causes qui engendre ce phénomène, où la roche se situe t’elle dans ton nuage de gaz…etc?
        Bref, c’est un petit peu plus complexe que le simple nuage qui s’agglomère pour se densifier en 1 unique point central se mettant lui même en rotation (créant au passage une force de centrifuge contrant la microgravité initiale, un vrai régal ! 🙂 ), et accumulant par accrétion tout se qui se situerait sur une orbite proche de l’objet en question, proche étant relative à la masse du dit objet.
        De plus et d’après les dernières observations, le noyau comporterait une part non négligeable (légèrement moins que le nickel 8% pour rappel) d’éléments PLUS légers, tel l’oxygène. Donc en contradictions avec le principe évoqué.

        Mais ne nous décourageons pas, nous finirons bien par trouver une explication logique et un peu moins hollywoodien que celle qui est habituellement proposée.
        🙂
        Amicalement
        Gus

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  15. Bonjour,
    Une question sur un thème non abordé dans l’article. Il est dit que le manteau est enfaite solide mais se comporte comme un liquide. Pourquoi observe – t- on alors une LVZ dans l’asthénosphère? Pourquoi n’est ce pas uniforme? Cette LVZ est-elle due au mouvement de convection du manteau?

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