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L’intérieur de la Terre

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L’intérieur de la Terre

La Terre est une machine thermique:

La Terre est une planète active : elle est secouée par des tremblements de terre, des éruptions volcaniques expulsent laves et gaz, un flux de chaleur interne remonte en tout point de sa surface, ses continents dérivent et des montagnes surgissent, lentement mais sûrement. Enfin, son noyau crée et entretient un champ magnétique qui la baigne.

Le moteur de cette activité est l’énergie thermique, produite en partie par le refroidissement de la Terre et en partie par la chaleur résultant de la désintégration des éléments radioactifs quelle contient.

La Terre est ainsi une machine thermique, le but de la géophysique interne est donc de comprendre son fonctionnement, en utilisant les ressources de la physique aussi bien théorique qu’expérimentale. Mais pour comprendre comment fonctionne une machine, il faut d’abord savoir comment elle est constituée, et c’est aussi du ressort de la physique.

En effet, nous vivons à la surface du globe terrestre et nous ne pouvons pénétrer bien loin à l’intérieur pour l’explorer, le décrire, en rapporter des spécimens. Le forage le plus profond (12 kilomètres, dans la péninsule de Kola, en Russie) n’a fait qu’égratigner la surface de notre globe dont le rayon mesure 6 371 kilomètres.

Quels sont donc les moyens, forcément indirects, dont nous disposons pour obtenir des informations sur l’intérieur de la Terre ?

Dans une certaine mesure, la situation revient à essayer de comprendre la constitution interne du corps humain sans pouvoir pratiquer d’autopsie. On mesurerait et pèserait les individus, on prendrait leur température, on analyserait leurs fluides corporels, on les ausculterait, et enfin on les examinerait aux rayons X.

L’analyse chimique des roches, des laves et des gaz volcaniques, ainsi que des météorites, parentes de celles qui ont formé la Terre il y a 4,5 milliards d’années, permet d’accéder à sa composition. C’est le domaine de la géochimie.

Les géophysiciens mesurent et pèsent la Terre. Grâce, en particulier, à des satellites artificiels, on détermine la surface, bosselée, d’égale pesanteur (le géoïde) dont l’analyse fournit des renseignements sur la distribution des masses à l’intérieur du globe. Les mesures de température dans les forages, en fonction de la profondeur, donnent des renseignements sur l’évolution thermique, en permettant d’accéder au gradient géothermique et au flux de cha¬leur en provenance de l’intérieur de la Terre.

Les grands tremblements de terre engendrent des ondes élastiques qui traversent tout l’intérieur du globe et permettent son auscultation. Par l’analyse de la propagation et des temps d’arrivée des ondes dans différentes stations sismologiques à la surface de la Terre, on peut définir des régions de propriétés élastiques différentes. L’étude au laboratoire des propriétés physiques et des transformations des minéraux, sous l’effet des hautes températures et très hautes pressions qui régnent en profondeur, permet d’interpréter les résultats de la sismologie et de proposer des modèles raisonnables de l’intérieur de la Terre.

L’expansion des fonds océaniques et les déplacements relatifs des continents, objets de la tectonique des plaques, sont les mani-festations de surface des mouvements de convection dans les profondeurs du manteau terrestre, qui, bien que solide à l’échelle humaine, se comporte comme un fluide très visqueux à l’échelle des temps géologiques. Si nous disposions d’un film de la surface du globe projeté en accéléré, un million d’années en une minute par exemple, nous verrions combien ce fluide est agité de mouvements incessants.

Enfin, l’observation du champ magnétique terrestre et de sa variation séculaire, dans les observatoires répartis à la surface du globe et aussi par les satellites artificiels, permet d’obtenir des renseignements sur l’activité du noyau terrestre qui servent de base aux théories de la génération du champ magnétique.On voit que la Terre pose aux physiciens des problèmes fort intéressants, et quelques défis, dans de nombreux domaines de la physique : élasticité, dynamique des fluides, convection, physique des matériaux à très haute pression, magnétohydrodynamique, etc.

Examinons quelques exemples dans les différentes régions de la Terre.

La croûte, les tremblements de terre et les volcans :

Les tremblements de terre sont des ruptures de la croûte, le long d’une faille. Le lent mouvement de dérive des plaques (de l’ordre du centimètre par an) met la région de cette faille sous contrainte. Lorsque la contrainte atteint une certaine valeur, il y a un décrochement brusque, les plaques glissent l’une par rapport à l’autre le long de la faille. Ce mouvement, qui induit le tremblement de terre, s’accompagne d’une diminution du frottement au fur et à mesure que la vitesse de déplacement augmente. C’est pourquoi ces phénomènes peuvent engendrer des catastrophes. Finalement tout cela aboutit au relâchement de la contrainte ; le processus peut alors recommencer. Le cycle sismique, de l’ordre de dizaines ou centaines d’années, appartient à la catégorie connue en physique sous le nom d’oscillations de relaxation, qui se manifeste dans bien d’autres domaines et dont la modélisation fait l’objet de recherches actives.

Depuis la plus haute antiquité, on a cherché à prévoir les tremblements de terre. On cherche encore à identifier des signes précurseurs fiables, ce qui implique de surveiller en permanence des failles sismiquement actives et de mieux comprendre les mécanismes qui régissent les séismes.

Une éruption volcanique peut être explosive (montagne Pelée), plinienne » envoyant très haut un panache de gaz et de cendres Vésuve), ou encore effusive, avec des coulées de lave fluide (Réunion). La dynamique éruptive des volcans dépend de la viscosité du magma et du régime d’écoulement ; celui-ci mélange des bulles ou poches gazeuses dans le magma, ou bien des fragments solides (cendres) dans le gaz. C’est dire que la compréhension du mécanisme des éruptions implique non seulement des mesures physiques lors des éruptions, mais encore d’adapter la mécanique des rluides à de tels mélanges à deux phases et des simulations en laboratoire.

Le manteau et le refroidissement de la Terre par convection :

Le manteau est la coquille de silicates, épaisse d’environ 1000 kilomètres, qui constitue la majeure partie de la Terre solide.

Il contient des éléments radioactifs (uranium et thorium en particulier) dont la désintégration fournit de la chaleur. Celle-ci, comme celle primitive du globe, est évacuée par convection. La matière chaude, moins dense en raison de la dilatation thermique, monte par une lente déformation à l’état solide, se refroidit en surface, formant ainsi les plaques océaniques qui replongent dans le manteau aux zones de subduction (comme sur les rives du Pacifique). La biographie des ondes sismiques permet de mettre en évidence les circulations de matière chaude et froide, correspondant respectivement à des vitesses des ondes légèrement plus faibles et plus élevées. La modélisation théorique de la convection terrestre, qui couple les flux de chaleur et les flux de matière dans une géométrie sphérique, pose encore de nombreux problèmes. Des renseignements précieux sont fournis par des expériences de laboratoire sur des systèmes analogues.

La pression augmente avec la profondeur ; de l’ordre de 10 000 atm en haut du manteau, elle dépasse un million d’atmosphères à la frontière noyau-manteau. La structure cristalline des minéraux présents dans le manteau supérieur (essentiellement olivine et pyroxènes, des silicates de magnésium et de fer) n’est plus adaptée aux hautes pressions qu’ils rencontrent en profondeur. Les minéraux subissent alors des transitions de phase vers des structures plus compactes. En particulier, vers la pression correspondant à 700 kilomètres de profondeur (environ 250 000 fois la pression atmosphérique), les expériences de laboratoire à très haute pression montrent que l’environnement des atomes de silicium passe de 4 à 6 atomes d’oxygène.

L’étude de la cinétique des transitions de phase et des propriétés physiques des phases de haute pression est l’un des domaines les plus actifs de la physique de l’intérieur du globe. Ces études reposent essentiellement sur des expériences dans des appareils qui permettent d’atteindre de hautes pressions, telles que les presses à enclumes de diamant dans lesquelles un minuscule échantillon est soumis à des pressions atteignant le million d’atmosphères et où il est chauffé par un faisceau laser jusqua des températures de plusieurs milliers de degrés. On peut alors étudier les propriétés de minéraux qui existent seulement à très grandes profondeurs et déterminer, à l’aide des rayons X, les équations d’état, donnant la densité en fonction de la pression et de la température, qu’il est nécessaire de connaître pour déduire la composition du manteau à partir des observations des temps de trajet des ondes sismiques. Pour les pressions encore plus élevées, inaccessibles expérimentalement, on a recours aux méthodes de calcul sur ordinateur (dynamique moléculaire ab initio) qui ont fait des progrès considérables et permettent de prévoir, avec assez de confiance, les propriétés des minéraux à des pressions voisines de celles régnant au centre de la Terre.

La vitesse d’écoulement à l’état solide du matériau du manteau dans les cellules de convection est plus élevée lorsqu’il y a simultanément des transitions de phase (plasticité de transformation). Le couplage des cinétiques de déformation et de transformation peut avoir une grande influence sur la convection dans le manteau supérieur, mais il reste trop peu étudié.

Le noyau et le champ magnétique de la Terre :

Le noyau externe, entre les profondeurs de 1 900 et 5 150 kilomètres, est liquide. C’est un alliage en fusion de fer comportant environ 5 % (en masse) de nickel et 10 % d’éléments légers, soufre, silicium et oxygène, dans des proportions encore inconnues. La température du noyau augmente avec la profondeur, moins vite que le point de fusion du fer. Il en résulte qu’à la profondeur de 5 150 kilomètres (pression de 3,3 millions d’atmosphères) le fer liquide se solidifie sous l’effet de la pression. Le centre de la Terre est donc occupé par une boule de fer solide de 1 220 kilomètres de rayon, la graine, dont la température est voisine de 5 500 °C. On n’est pas encore sûr de la structure cristalline que ce fer adopte aux pressions qui régnent dans la graine, et cette question fait l’objet de recherches actives, expérimentales et théoriques.

On s’aperçoit de plus en plus que, malgré son éloignement, le noyau joue un rôle important dans la dynamique terrestre et la physique du noyau est l’un des domaines les plus actifs de la géophysique.

La viscosité du noyau fluide est voisine de celle du fer liquide à pression atmosphérique, à peine plus visqueux que l’eau. Il en résulte que la convection est bien plus vigoureuse que dans le manteau et sans doute turbulente. L’analyse de la variation séculaire du champ magnétique en surface conduit à estimer une valeur de la vitesse des courants fluides à la surface du noyau de l’ordre de 1 m/h.

Einstein disait que le grand problème non résolu de la physique était celui de la génération du champ magnétique terrestre. On a fait de grands progrès depuis, on sait que le champ magnétique est créé par la géodynamo. Le déplacement dans un champ magnétique d’un fluide métallique, donc conducteur de l’électricité, induit dans les lignes de courant de ce fluide un courant électrique. Celui- ci crée, comme tout courant électrique, un champ magnétique qui renforce le champ initial qui avait créé le courant : on a ainsi une dynamo fluide auto-entretenue. Toutefois, il reste des problèmes considérables à résoudre pour modéliser correctement le champ magnétique terrestre. Il faut en effet coupler les équations de Maxwell de lelectromagnétisme avec l’équation de Navier-Stokes de l’hydrodynamique tenant compte de la rotation de la Terre.

Une des caractéristiques du champ magnétique terrestre, qu’il est essentiel de reproduire dans les modèles afin de la mieux comprendre, est sa capacité de s’inverser : le pôle nord magnétique devient le pôle sud et réciproquement. Ces inversions ne sont pas périodiques mais chaotiques : le champ magnétique garde une polarité donnée pendant des périodes dont la durée, irrégulière, peut varier de la dizaine de milliers à la centaine de millions d’années. Le champ magnétique est enregistré par les minéraux magnétiques des roches lors de leur refroidissement. Leur étude fait l’objet du paléo-magnétisme, qui s’attache notamment à identifier ces inversions et à déterminer comment varie l’intensité du champ au cours d’une telle inversion de sa direction.

Les ordinateurs modernes parviennent à simuler une dynamo, très simplifiée, qui s’inverse spontanément, mais cela ne permet pas encore de comprendre la cause des inversions. Sont-elles intrinsèques au noyau ou sont-elles déclenchées par un événement thermique à la base du manteau, qui perturberait le régime des courants de convection et de la dynamo ?

Des expériences mettant en évidence la génération d’un champ magnétique par l’écoulement d’un fluide conducteur de l’électricité (effet dynamo) n’ont pu être réalisées au laboratoire qu’au cours de ces dernières années. Même s’il est impossible de reproduire un modèle réduit de la Terre, ces expériences permettent la modélisation de mécanismes à l’origine des champs magnétiques planétaires ou stellaires dans une gamme de paramètres beaucoup plus proches de la réalité que les simulations numériques directes. En 2000, des expériences menées à Karlsruhe (Allemagne) et Riga (Lettonie) avaient mis en évidence l’effet dynamo résultant d’écoulements de sodium liquide avec des lignes de courant fortement contraintes par la géométrie des dispositifs expérimentaux utilisés. Un pas de plus a été franchi en 2006 avec l’expérience VKS qui a permis d’engendrer un champ magnétique à partir d’un écoulement fortement turbulent car beaucoup moins contraint. De plus, des renversements aléatoires du champ magnétique y ont été observés. Bien que l’écoulement engendré dans l’expérience VKS présente de fortes différences avec celui du noyau terrestre, les renversements observés comportent des analogies frappantes avec les inversions du champ magnétique terrestre. Des modélisations théoriques sont effectuées afin d’en comprendre les raisons et de nouveaux projets expérimentaux de dynamo fluide sont en cours d élaboration en Europe et aux États-Unis. Il y a encore bien des mystères à éclaircir, la génération du champ magnétique terrestre reste un des grands problèmes de la physique.

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