tribune

©Collège de France

Barbara Romanowicz
Sismologue et géophysicienne française, professeur au Collège de France et à l’Université de Californie à Berkeley

La géophysique interne est un vaste domaine d’application des mathématiques, de la physique et de la chimie (et aussi de la biologie), auquel participent de nombreuses disciplines. 

La physique de l’intérieur de la terre, celle qui nous explique l’écologie.

Il s’agit ici de la place exceptionnelle qu’occupe la planète Terre dans notre système solaire, ce qui, de par ses conséquences sur notre existence et notre bien-être, en motive largement l’étude. Un certain nombre de conditions très particulières s’y trouvent réunies : C’est la seule planète dont la surface se trouve à des conditions de température et de pression proches de celles du point triple de l’eau, c’est-à-dire où l’eau, si importante pour la vie, peut exister à la fois sous ses trois formes : solide, liquide et gazeuse. C’est aussi la seule planète à avoir une tectonique des plaques active à l’heure actuelle.

 

Ces deux points sont d’ailleurs liés. La présence d’eau joue un rôle important, sinon fondamental, dans la tectonique des plaques : le processus d’hydratation des roches influe sur leurs propriétés physiques, les rend plus malléables et augmente leur capacité d’écoulement à l’état solide. La présence d’eau abaisse également le point de fusion partielle des roches, un phénomène important dans la génération de magma dans les rides médio-océaniques et dans les zones de subduction. Nous sommes en effet en présence d’une situation très particulière et difficile à reproduire par modélisation, où les plaques lithosphériques sont essentiellement rigides, et pratiquement toute la déformation est concentrée à leurs frontières.
On estime par ailleurs que la quantité d’eau que renferment les roches du manteau terrestre, sous leur forme hydratée, pourrait atteindre une, voire deux fois le volume de l’ensemble des océans, qui eux-mêmes couvrent les deux tiers de la surface de la Terre. Cependant, cela n’est pas comme Jules Verne l’imaginait dans son Voyage au centre de la Terre, un océan souterrain avec des plages et des cavernes – qui ne pourraient résister aux pressions énormes auxquelles sont soumises les roches –, mais bien un océan « caché » dans les roches solides. Une des questions de la recherche pluridisciplinaire de pointe actuelle consiste à essayer de déterminer comment se répartit l’hydratation des roches dans le manteau : est-elle limitée aux premiers 100-200 km depuis la surface, ou bien est-elle importante jusque dans la zone de transition du manteau supérieur (400-700 km), voire à une plus grande profondeur ?
Enfin, la Terre possède également un champ magnétique interne suffisamment fort pour créer, dans l’ionosphère, un véritable bouclier contre les rayons cosmiques – encore un élément crucial pour la vie sur Terre. Ce champ magnétique est engendré par des mouvements de fluide dans le noyau liquide métallique, composé principalement de fer, par un processus de dynamo. Notons que la partie centrale du noyau, la graine, solide et composée de cristaux de fer encore plus pur, joue un rôle important dans le maintien de cette dynamo au cours des temps géologiques : certains éléments chimiques plus légers que le fer sont expulsés dans la partie liquide du noyau au moment de la cristallisation de la graine, dont la taille augmente de l’ordre de quelques millimètres par an. L’ascension des éléments légers vers la surface du noyau engendrent des mouvements de convection dans le noyau externe.

De nouveaux outils pour sonder l’intérieur de la Terre 

L’étude de l’intérieur de la Terre représente un défi particulier. En effet, l’observation directe se heurte à des difficultés technologiques, en particulier la construction d’instruments de forage capables de résister aux températures élevées (plus de 1000 °C) rencontrées à des profondeurs relativement faibles : les puits les plus profonds creusés jusqu’à maintenant n’atteignent pas plus de 12 à 13 km, ce qui, comparé au rayon de la Terre (6371 km), représente à peine deux millièmes de celui-ci. Ces forages nous ont apporté des informations précieuses sur la structure et la composition de la partie superficielle de la croûte terrestre. Mais pour en savoir plus, il est nécessaire d’avoir recours à des méthodes d’observation indirectes pour résoudre ce qu’on appelle un problème inverse : déterminer la structure à l’intérieur d’un corps uniquement à partir de données disponibles à la surface qui l’englobe. Vous reconnaîtrez un problème familier dans le domaine de la médecine, avec toutes les méthodes non invasives de sondage du corps humain (rayons X, IRM, échographie, etc.). 

 

Ainsi devons-nous combiner différents types d’observations à la surface de la Terre pour en sonder l’intérieur, ce qui a permis le développement de plusieurs disciplines au sein des sciences de la Terre : mesures ponctuelles, et plus récemment, satellitaires (Magsat, Champ et Oersted) du champ magnétique et du champ de gravité, enregistrement des ondes sismiques engendrées par les séismes naturels, échantillonnage géochimique des roches, mesures géodésiques et cartographie géologique. L’interprétation de ces observations doit être combinée avec la modélisation théorique et expérimentale des courants de matière dans le manteau et le noyau (géodynamique), la modélisation de la propagation des ondes sismiques dans les milieux complexes, ainsi que la physique des matériaux et la pétrologie, qui renseignent sur la composition, la structure cristalline et les propriétés de déformation des roches aux hautes pressions et températures de l’intérieur de la Terre. Pour vous donner une idée, la pression au centre de la Terre est de l’ordre de 360 GPa, soit 3 600 fois la pression atmosphérique, et la température dans le noyau est estimée à 5000 +/– 1500 degrés °C. 

L’enjeu actuel est de combiner les informations apportées par ces différentes disciplines, chacune d’elles contribuant à un aspect de l’ensemble mais ne permettant pas de résoudre, par elle- même, le problème fondamental de la dynamique interne de notre planète, qui est de comprendre comment fonctionne le moteur convectif de la tectonique des plaques, moteur qui, plus de quarante ans après l’acceptation universelle de celle-ci, donne encore lieu à de vifs débats.

 

"Puisqu’il s’agit d’un système dynamique, il ne suffit pas d’en connaître l’état présent, et pour connaître son évolution dans le temps, il faut interroger le passé, depuis l’époque de la formation de la Terre, il y a environ 4,56 milliards d’années, jusqu’à nos jours, sachant que l’échantillonnage de ce passé est limité essentiellement aux roches situées près de la surface, et que seuls les continents ont préservé des roches d’âge supérieur à 200 millions d’années, justement à cause de la tectonique des plaques qui recycle inlassablement les plaques océaniques." 

 

Pour conclure, je n’ai abordé ici que certains aspects globaux de la Terre profonde, et en ai laissé d’autres de côté, en particulier ce qui concerne la structure et la dynamique du noyau. J’espère cependant vous avoir convaincus que l’étude pluridisciplinaire de l’intérieur de la Terre est un domaine fascinant et très actif, qui évolue rapidement en adoptant des technologies de pointe, et qui nous concerne tous dans la mesure où il se rapporte de manière fondamentale à l’habitabilité de notre planète. 

QUELQUES ELEMENTS TECHNIQUES 

Ces dernières décennies, chacune de ces disciplines a fait l’objet de progrès considérables dans le domaine des techniques de mesure, ce qui a conduit à un certain nombre de découvertes, en particulier : 

● La technologie GPS et l’interférométrie radar (InSAR) permettent actuellement de détecter des mouvements relatifs à travers les failles de l’ordre du millimètre par an, ce qui a permis de préciser les mouvements tectoniques à l’échelle globale, de surveiller la déformation des volcans jusqu’à en prévoir les éruptions, et de découvrir tout récemment des phénomènes nouveaux, tels les tremors quasi périodiques dans les zones de subduction.

● La construction de presses de plus en plus performantes permet à l’heure actuelle d’atteindre des pressions de plus de 150 GPa, c’est-à-dire jusqu’au noyau de la Terre, ce qui, couplé avec les accélérateurs de particules (cyclotrons), rend possible la caractérisation de plus en plus précise de la structure et des propriétés physiques des roches dans les conditions qui règnent à la base du manteau et jusque dans le noyau. 

● Des progrès considérables ont également été faits du point de vue théorique, grâce à l’accès aux ordinateurs de plus en plus puissants qui permettent d’atteindre des conditions réalistes pour la modélisation de la convection au sein du manteau de la Terre, en trois dimensions, dans une géométrie sphérique adaptée, ou de simuler de manière précise le champ des ondes sismiques se propageant dans des structures complexe 

  • Twitter
  • Noir LinkedIn Icône
  • Instagram

lire les autres tribunes

Noel Mamere.jpg

Noël Mamère

« Le mensonge de la surpopulation »

Corinne Lepage -photo DR.jpg

Corinne Lepage

Qu’est-ce que la justice sanitaire ?

Francois-Tiberghien_President-de-Finanso

Frédéric Tiberghien

Quelle contribution de la finance solidaire à une Europe verte ? 

f55582beb44673e51b4a48c4eb6f285f-628x421

Philippe Zaouati

Le climat, cheval de Troie d’un nouveau capitalisme  ?

Gilles Berhault

Vers un nouveau « game play » territorial ?

​Inscrivez-vous pour ne pas manquer nos actus
  • Icône Twitter blanc
  • Blanc LinkedIn Icône
  • Icône Instagram blanc

© 2020 EUROCOM - L'Europe au vert