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Comment connaître l’intérieur de la Terre ? Vincent Deparis*

Le centre de la Terre n’est pas plus loin de nous que Washington ou Dehli. Mais concrètement, ce n’est pas la même chose ! Comment peut-on connaître l’intérieur de la Terre ? Comment peut-on découvrir ce qui nous est inaccessible ? En effet, aujourd’hui comme hier, nul moyen d’aller voir sur place, de sonder directement les entrailles du Globe pour constater ce qu’elles recèlent. Nous vous proposons donc un Voyage à l’intérieur de la Terre. De la géographie antique à la géophysique actuelle (selon le titre de l’ouvrage écrit par l’auteur et Hilaire Legros, Paris, Éditions du CNRS, 2000).

L’exploration directe étant à jamais impossible, ce n’est que par l’interprétation des observations recueillies en surface que l’on peut se faire une idée sur l’intérieur du Globe. Dans cet article, nous allons nous focaliser sur trois périodes de l’histoire et découvrir à partir de quels indices les savants ont imaginé l’intérieur de la Terre : nous verrons d’abord les deux premières représentations des profondeurs du Globe proposées au XVIIe siècle, puis nous analyserons l’hypothèse d’une Terre entièrement en fusion avancée au début du XIXe siècle et enfin nous terminerons avec la vision actuelle de la Terre.

Les premières représentations des profondeurs
Descartes (1596-1650) est le premier en 1644 à imaginer le monde souterrain. Pour lui, la Terre est un ancien Soleil qui a subi une évolution particulière (figure 1). Au centre, on trouve un noyau de matière solaire, recouvert d’une couche compacte de la même matière que les taches solaires. Ensuite vient une couche de terre dense, une couche d’eau, une couche d’air et une nouvelle couche de terre plus légère qui se maintient au-dessus du vide comme une voûte. La Terre de Descartes est donc creuse ! La couche externe est toutefois en équilibre instable. Séchée par le Soleil, elle se fendille et finit par s’écrouler d’une manière inégale dans les couches internes, expulsant l’eau qui forme les océans. Descartes décrit ainsi à la fois la genèse de la Terre et sa structure interne. Il raconte comment les montagnes se sont formées, par effondrement, lors d’une immense catastrophe planétaire originelle.

 

Figure 1 : Le modèle de Terre de Descartes (1644)

Kircher (1602-1680), un père jésuite, donne en 1665 une deuxième représentation de la Terre, tout à fait différente (figure 2). Pour lui aussi le Globe est un ancien Soleil refroidi, mais il cherche à expliquer les éruptions volcaniques. La Terre possède un foyer central, relié aux volcans de la surface par des conduits de feu avec des réserves intermédiaires. Les volcans manifestent l’activité interne du Globe, ce sont des soupiraux par lesquels s’échappe le feu intérieur. Contrairement au modèle de Descartes qui, si l’on excepte les ruptures de la croûte superficielle, est un modèle stratifié, parfaitement sphérique, où la surface est indépendante d’une activité interne, le modèle de Kircher, avec ses canaux et ses veines radiales, montre une très forte prépondérance pour les hétérogénéités latérales. Il admet également des liens entre les phénomènes superficiels et profonds. Ces deux conceptions d’une Terre à symétrie sphérique et d’une Terre à hétérogénéités latérales révèlent deux intuitions profondes sur la structure de notre planète.

« L’océan de magma » interne
Après Descartes et Kircher, les visions du monde souterrain se multiplient rapidement, avec une grande liberté. Le développement de la mécanique, avec en particulier les travaux de Newton (1642-1727), permet une nouvelle approche du Globe. Deux observations posent questions. Premièrement, les observations géodésiques indiquent que la Terre n’est pas parfaitement sphérique mais légèrement ellipsoïdale, le rayon équatorial étant légèrement plus grand que le rayon polaire (d’une vingtaine de kilomètres). Cette forme aplatie de la Terre se comprend aisément pour les océans : les molécules d’eau qui les constituent cèdent immanquablement à la force centrifuge développée par la rotation terrestre et tendent à se regrouper dans les régions équatoriales. Mais comment la Terre solide peut-elle avoir la même forme que les océans ? Deuxièmement, la masse de notre planète impose que la densité moyenne des constituants terrestres soit de 5,5. Or, la densité des roches superficielles est en moyenne de 2,8. Il s’ensuit que la Terre n’est pas homogène mais qu’il doit y avoir dans les profondeurs de la planète des roches plus lourdes pouvant compenser le défaut de masse de la surface. Comment l’expliquer ? À la suite de Leibniz (1646-1716) et de Buffon (1707-1788), Laplace (1749-1827) défend l’idée de la fusion primitive du Globe : si la Terre a été au début de son histoire entièrement fondue, les substances les plus denses ont pu se porter vers le centre et la Terre a pu prendre la même forme que si elle était fluide ; elle s’est ensuite consolidée pour prendre son aspect actuel.

 

Figure 2 : Le modèle de Terre de Kircher (1665)

Dans le premier tiers du XIXe siècle, Cordier (1777-1861) effectue un saut qualitatif extrêmement important : il affirme que la Terre conserve encore actuellement sa fusion originelle et qu’elle est entièrement fondue. Il s’appuie sur les toutes nouvelles mesures de température dans les mines qui montrent que la température s’accroît d’un degré tous les 25 mètres de descente. Si la progression se poursuit, la température de 1 600° C, à laquelle toutes les roches de la surface sont fondues, est atteinte dès 50 km de profondeur. Le Globe serait donc constitué d’une énorme masse en fusion, recouverte d’une mince écorce solide. L’idée est séduisante car elle permet d’expliquer les volcans (communications directes entre la surface et la masse fondue sous-jacente), les tremblements de terre (conséquences des mouvements internes du fluide), la présence de veines de granites recoupant des roches sédimentaires (le granite provient donc des profondeurs du Globe et est nécessairement en fusion lorsqu’il se met en place) et la formation des montagnes (la Terre en se refroidissant se contracte, ce qui crée des ruptures et des plissements). Cette conception d’une Terre actuellement en fusion représente la première théorie unitaire, ayant réponse à tout. Elle est cependant erronée, comme nous allons le voir, et elle montre la facilité avec laquelle les savants peuvent se laisser abuser en toute bonne foi…

La vision actuelle du Globe
L’idée d’un Globe en fusion satisfait la majorité des géologues, mais certains physiciens restent dubitatifs et une polémique s’engage. En particulier Hopkins (1793-1866) remarque que la fusion des roches dépend bien entendu de la température mais également de la pression. Si une roche fond à 1 600 °C en surface, il lui faut une température bien plus élevée pour entrer en fusion à 100 km de profondeur où la pression est beaucoup plus forte. En l’absence d’expériences en laboratoire, on ne peut pas savoir qui, de la température ou de la pression, a la plus grande influence et rien ne peut être conclu quant à la fluidité ou à la solidité du Globe. Son élève, Lord Kelvin (1824-1907), argumente que si la Terre était en fusion, la masse fluide interne devrait subir des marées importantes, exactement comme les océans de la surface, ce qui n’est pas le cas. Il montre que la Terre se comporte comme un solide élastique, dont les propriétés sont sensiblement les mêmes que celles de l’acier. Le Globe est donc solide et les seules parties en fusion sont les réservoirs de magmas sous les volcans, d’étendue limitée.

 

À partir du début du XXe siècle, l’enregistrement des ondes sismiques émises par les tremblements de terre et qui traversent l’ensemble du Globe, ouvre une ère nouvelle et fournit l’outil le plus puissant pour l’investigation des profondeurs du Globe. Il existe deux grands types d’ondes de volume, les ondes de compression qui se propagent dans les solides comme dans les liquides et les ondes de cisaillement qui ne se propagent que dans les solides. Or les sismologues observent que la Terre transmet les ondes de cisaillement : elle est donc entièrement solide, au moins jusqu’à une très grande profondeur.
L’analyse du temps de parcours des ondes sismiques permet de supputer leurs parcours à l’intérieur de la Terre et de trouver l’existence de discontinuités internes. La Terre apparaît formée de différentes enveloppes sphériques, imbriquées les unes dans les autres (figure 3). En surface, se trouve la croûte, plus épaisse sous les continents (30 km en moyenne) que sous les océans (6 km en moyenne). Puis vient le manteau, qui s’étend jusqu’à 2 900 km de profondeur. Il est formé de roches silicatées solides mais sur les longues échelles de temps géologiques, il est capable de se déformer (d’une manière similaire à un glacier qui, bien que solide, peut « couler » le long des pentes des montagnes) et est animé de mouvements de convection expliquant les déformations de la surface. En dessous du manteau et jusqu’au centre de la Terre, se trouve le noyau constitué essentiellement de fer. Sa partie externe est liquide et sa partie interne, la graine, est solide.
Aujourd’hui, les recherches ne portent plus seulement sur le modèle sphérique de Terre mais sur une vision dynamique et en trois dimensions du globe. Les études sismiques sont complétées, d’une part, par des études tomographiques qui permettent de faire des images en coupe de la Terre comme en tomographie médicale et, d’autre part, par des études minéralogiques, thermiques, géochimiques, géodésiques et magnétiques, qui toutes contribuent à préciser la « géographie » des profondeurs et à dévoiler une Terre dynamique, en pleine activité. De nombreuses incertitudes demeurent. Parmi d’autres, on peut citer, en particulier, les variations d’épaisseur de la croûte, la topographie de la frontière noyau-manteau, la localisation des courants de convection dans le manteau et l’origine du champ magnétique terrestre.
Pour terminer, nous pouvons remarquer que la vision actuelle de la Terre met en évidence la complémentarité des vues partielles de Descartes et de Kircher : le modèle stratifié du premier est parachevé dans les modèles de Terre des sismologues et l’intuition du second réapparaît dans les modèles de convection mantellique avec des hétérogénéités latérales dues aux zones froides descendantes et aux zones chaudes montantes. La conception actuelle de la Terre regroupe ainsi différentes idées émises au cours des temps, réconciliant des vues partielles qui ont pu autrefois s’opposer.  

*Vincent Deparis est professeur de sciences physiques au lycée Jean-Monnet à Annemasse.

La Revue du projet, n° 40, octobre 2014
 

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