{"id":4729,"date":"2013-05-20T00:01:29","date_gmt":"2013-05-19T22:01:29","guid":{"rendered":"http:\/\/sciencetonnante.wordpress.com\/?p=4729"},"modified":"2013-05-20T00:01:29","modified_gmt":"2013-05-19T22:01:29","slug":"voyage-au-centre-de-la-terre","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/2013\/05\/20\/voyage-au-centre-de-la-terre\/","title":{"rendered":"Voyage au centre de la Terre"},"content":{"rendered":"

\"Lac<\/a>Connaissez-vous la structure de la Terre\u00a0? Pour ma part, je pensais avoir une id\u00e9e raisonnable sur cette question, mais je me suis rendu compte en pr\u00e9parant ce billet que quelques unes de mes conceptions \u00e9taient totalement fausses\u00a0!<\/p>\n

J’ai aussi \u00e9t\u00e9 frapp\u00e9 par le nombre de choses que l’on peut apprendre sur ce qu’il y a \u00e0 l’int\u00e9rieur de notre plan\u00e8te, alors que contrairement aux h\u00e9ros de Jules Verne, nous n’y avons jamais mis les pieds\u00a0!<\/p>\n

Alors cro\u00fbte, manteau et noyau : voyons ce que l’on sait actuellement de la structure interne de notre bonne vieille Terre.<\/p>\n

Une cro\u00fbte si fine<\/h3>\n

\"Earth_structure\"<\/a><\/p>\n

C’est ce qu’on apprend \u00e0 l’\u00e9cole\u00a0: la Terre poss\u00e8de une structure en oignon, divis\u00e9e en 3 grandes parties dont les noms doivent vous \u00eatre familiers\u00a0: la cro\u00fbte, le manteau et le noyau<\/strong>. Le sch\u00e9ma ci-contre (adapt\u00e9 de Wikimedia<\/a>) en montre une version d\u00e9taill\u00e9e.<\/p>\n

Avec ce genre de dessin, il y a quelque chose qu’on a du mal \u00e0 r\u00e9aliser\u00a0: la cro\u00fbte est extraordinairement fine<\/strong>\u00a0! Songez qu’en moyenne elle ne fait qu’une trentaine de kilom\u00e8tres alors que le rayon de la Terre est d’environ 6350 km. Pour faire une comparaison, si la Terre \u00e9tait un ballon de foot, la cro\u00fbte ne ferait qu’un millim\u00e8tre d’\u00e9paisseur<\/strong>.<\/p>\n

Et pourtant, nous avons \u00e0 peine \u00e9gratign\u00e9 cette cro\u00fbte : la mine la plus profonde du monde est celle de Tau Tona en Afrique du Sud, et elle ne descend qu’\u00e0 4 kilom\u00e8tres de profondeur. Quant au trou le plus profond jamais r\u00e9alis\u00e9, il a \u00e9t\u00e9 creus\u00e9 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 !<\/p>\n

Non, le manteau n’est PAS liquide<\/h3>\n

En-dessous de la cro\u00fbte, il y a le manteau. Je me suis longtemps repr\u00e9sent\u00e9 le manteau comme une sorte d’oc\u00e9an de roches en fusion sur lequel les continents flottaient et d\u00e9rivaient. Mais non, j’avais tout faux\u00a0: le manteau n’est pas liquide, il est solide\u00a0!<\/strong><\/p>\n

\"geotherme<\/a>Plus on va vers le centre de la Terre, plus la temp\u00e9rature augmente, on peut donc penser qu’on finit par trouver des roches en fusion. Mais la pression augmente aussi terriblement. Or la temp\u00e9rature \u00e0 laquelle un corps fond augmente avec la pression.<\/p>\n

M\u00eame si les valeurs exactes ne sont pas parfaitement connues, j’ai r\u00e9alis\u00e9 le graphique ci-contre pour montrer comment la pression et la temp\u00e9rature augmentent quand on s’enfonce dans les profondeurs.<\/p>\n

Si on prend un endroit typique dans le manteau, on voit que la temp\u00e9rature (en bleu) y est d’environ 2000\u00b0C. Alors oui, \u00e0 cette temp\u00e9rature-l\u00e0 \u00e0 la surface, les roches seraient fondues. Mais la pression (en rouge) y est environ 500 000 fois la pression atmosph\u00e9rique<\/strong>. Et on a pu mesurer qu’\u00e0 de telles pressions, il faudrait des temp\u00e9ratures sup\u00e9rieures \u00e0 3000\u00b0C pour faire fondre les roches. Donc dans le manteau, les roches ne sont pas fondues, mais \u00e0 l’\u00e9tat solide\u00a0!<\/p>\n

Un noyau en deux morceaux<\/h3>\n

Alors que la cro\u00fbte et le manteau sont principalement constitu\u00e9s de min\u00e9raux rocheux, le centre de la Terre \u2013 appel\u00e9 noyau \u2013 est fait de m\u00e9tal<\/strong>\u00a0: principalement du fer et un peu de nickel. La raison en est que le fer est environ 2 fois plus dense que les min\u00e9raux rocheux, et qu’il a donc coul\u00e9 au centre de la Terre lors de sa formation.<\/p>\n

Dans la partie externe du noyau, la temp\u00e9rature est d’environ 4000\u00b0C et la pression 2 millions de fois la pression atmosph\u00e9rique. A cette pression, le fer fond \u00e0 environ 3500\u00b0C, et il se trouve donc \u00e0 l’\u00e9tat liquide\u00a0! Le noyau externe est donc un oc\u00e9an de m\u00e9tal liquide<\/strong>, dont on pense qu’il est agit\u00e9 de nombreux courants, et que par un effet dynamo ces courants sont responsables du champ magn\u00e9tique terrestre.<\/p>\n

Mais au fur et \u00e0 mesure que l’on descend, la pression augmente de plus en plus, et finit par \u00eatre telle que le fer ne peut plus \u00eatre liquide : il devient solide. La partie interne du noyau que l’on appelle la graine<\/strong> est donc comme un gros bloc de m\u00e9tal \u00e0 5000\u00b0C, mais solidifi\u00e9 sous l’effet de la pression monstrueuse qui y r\u00e8gne.<\/p>\n

La convection dans le manteau<\/h3>\n

Je ne suis certainement pas le seul \u00e0 avoir cru longtemps que le manteau \u00e9tait liquide, et je pense que cette erreur a au moins deux origines. D’une part la th\u00e9orie de la d\u00e9rive des continents tend \u00e0 nous faire penser que l’on flotte sur un oc\u00e9an de roches liquides. Et en plus ceci semble corrobor\u00e9 par les volcans qui nous montrent bien des roches en fusion arrivant des profondeurs.<\/p>\n

\"convection<\/a>Et pourtant on sait aujourd’hui que le magma liquide n’est qu’un cas tr\u00e8s particulier, et que le manteau est pour sa tr\u00e8s grande majorit\u00e9 bien constitu\u00e9 de roches solides. Et pourtant, le manteau se comporte un peu comme un liquide\u00a0<\/strong>!<\/p>\n

En effet sur des temps extr\u00eamement longs, les roches se d\u00e9placent et se d\u00e9forment. Et de m\u00eame que dans une pi\u00e8ce l’air chaud monte et l’air froid descend, les roches du manteau les plus chaudes s’\u00e9l\u00e8vent et les plus froides s’enfoncent<\/strong> : c’est ce mouvement global appel\u00e9 convection<\/strong> qui est \u00e0 l’origine du mouvement des plaques comme le montre le sch\u00e9ma (toujours adapt\u00e9 de Wikimedia<\/a>). Mais retenez que pour que ces mouvements existent, il faut des temps g\u00e9ologiques\u00a0!<\/p>\n

Un autre mani\u00e8re de le dire, c’est que le manteau solide se comporte comme un liquide fabuleusement visqueux. On estime que la viscosit\u00e9 du manteau est environ\u00a0 1 000 000 000 000 000 000 fois celle du miel<\/strong>, alors que la lave qui coule d’un volcan n’est que 10 \u00e0 100 fois plus visqueuse que le miel.<\/p>\n

Mais comment sait-on tout \u00e7a\u00a0?<\/h3>\n

Il y a quelque chose de fascinant \u00e0 penser que l’on arrive \u00e0 obtenir toutes sortes de d\u00e9tails sur la structure de la Terre, alors que manifestement nous n’y sommes jamais all\u00e9s\u00a0!<\/p>\n

Newton le premier avait calcul\u00e9 la masse de la Terre (connaissant l’intensit\u00e9 du champ de pesanteur), et en avait d\u00e9duit sa densit\u00e9 moyenne : environ 5,5<\/strong>. Il avait alors not\u00e9 que cette valeur \u00e9tait bien au-dessus de la densit\u00e9 des roches que l’on trouve en surface, environ 3, et que donc \u00e0 l’int\u00e9rieur de la Terre devaient se trouver des zones beaucoup plus denses : on sait aujourd’hui que c’est le m\u00e9tal du noyau, 2 \u00e0 3 fois plus dense que les roches.<\/p>\n

\"sismographe\"<\/a>Une partie des informations dont on dispose provient \u00e9galement des m\u00e9t\u00e9orites<\/strong> tomb\u00e9es sur Terre, dont certaines sont comme des mini-plan\u00e8tes et nous donnent des indices sur la structure de la n\u00f4tre. Mais les renseignements les plus pr\u00e9cieux nous viennent de l’\u00e9tude des ondes sismiques. Depuis le d\u00e9but du XX\u00e8me si\u00e8cle, on dispose en effet de sismographes un peu partout sur Terre<\/strong>, et quand un s\u00e9isme suffisamment puissant se produit, on peut \u00e9tudier quand et comment il est d\u00e9tect\u00e9 aux diff\u00e9rents endroits du globe.<\/p>\n

On sait par exemple que la vitesse des ondes d\u00e9pend de la densit\u00e9 du milieu, que des changements de densit\u00e9 peuvent induire des changements de direction. On sait \u00e9galement\u00a0 que certaines ondes ne peuvent pas traverser les liquides, ce qui a permis de d\u00e9tecter le caract\u00e8re liquide du noyau externe. Au fur et \u00e0 mesure de l’am\u00e9lioration de la pr\u00e9cision des d\u00e9tecteurs, on a pu ainsi obtenir des informations de plus en plus d\u00e9taill\u00e9es sur la structure de notre plan\u00e8te aux diff\u00e9rentes profondeurs, et tout \u00e7a sans creuser de trou pour aller au centre de la Terre\u00a0!<\/p>\n

Billets reli\u00e9s :<\/span><\/p>\n

Sur la notion de viscosit\u00e9 J\u00e9sus et la Ma\u00efzena,<\/a><\/p>\n

ainsi que Le nombre de Reynolds<\/a><\/p>\n

Sur les viscosit\u00e9s \u00e9normes L’exp\u00e9rience de la goutte de poix,<\/a><\/p>\n

et leur lien avec \u00e9tats de la mati\u00e8re Le verre cet inconnu<\/a><\/p>\n

\n

Pour aller plus loin\u00a0: des ondes sismiques \u00e0 la structure de la Terre<\/em><\/h3>\n

\"composition<\/a>Premi\u00e8re observation pour ceux qui veulent aller plus loin : j’ai totalement laiss\u00e9 dans l’ombre le fait que pour d\u00e9crire la structure de la Terre en fonction de la profondeur, on utilise en fait deux classifications. L’une est bas\u00e9e sur la composition, et distingue la cro\u00fbte, le manteau et le noyau, et l’autre bas\u00e9e sur les propri\u00e9t\u00e9s m\u00e9caniques.
\n<\/em><\/p>\n

Comme vous le voyez, les deux classifications sont assez proches, la principale diff\u00e9rence provient du fait que ce qu’on appelle la lithosph\u00e8re (la couche qui d\u00e9rive) est un peu plus \u00e9pais que la simple cro\u00fbte, et comprend la partie sup\u00e9rieure du manteau. J’ai longtemps cru que cro\u00fbte et lithosph\u00e8re \u00e9taient synonymes, mais non !<\/em><\/p>\n

Pour les plus curieux de la physique des ondes, on s’int\u00e9resse \u00e0 deux types d’ondes sismiques, appel\u00e9es P et S. Les ondes P sont des ondes de pression, dont le d\u00e9placement est dans la direction de propagation, de mani\u00e8re analogue aux ondes sonores. Les ondes S sont des ondes de cisaillement, dont le d\u00e9placement est perpendiculaire \u00e0 la direction de propagation. La diff\u00e9rence est tr\u00e8s bien illustr\u00e9e avec ces gros ressorts mous avec lesquels on peut jouer (source<\/a>) : au-dessus les ondes P, en dessous les ondes S
\n<\/em><\/p>\n

\"ressort<\/a><\/p>\n

\"ressort<\/a><\/p>\n

Deux \u00e9l\u00e9ments essentiels \u00e0 conna\u00eetre sur ses ondes\u00a0: 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 densit\u00e9 du milieu travers\u00e9. Comme pour les rayons lumineux, un changement de milieu (donnant lieu \u00e0 un changement de vitesse) provoque un ph\u00e9nom\u00e8ne de r\u00e9fraction qui modifie la direction de propagation. C’est \u00e0 partir de ces principes que l’on a pu identifier les profondeurs o\u00f9 se produisent les diff\u00e9rents changements de densit\u00e9 ou d’\u00e9tat. En couplant cela \u00e0 des mesures en laboratoire de la temp\u00e9rature de fusion des roches et du fer \u00e0 diff\u00e9rentes pressions, on obtient le mod\u00e8le actuel de la structure de la Terre.<\/em><\/p>\n

Pour illustrer un peu plus cette histoire de variation de la temp\u00e9rature de fusion, la courbe ci-dessous montre la variation de la temp\u00e9rature en fonction de la pression au fur et \u00e0 mesure que l’on s’enfonce dans les profondeurs de la Terre. La courbe verte montre la temp\u00e9rature de fusion de la roche MgSiO3 appell\u00e9e \u00ab\u00a0perovskite\u00a0\u00bb en fonction de la pression, et la courbe grise celle du fer.<\/em><\/p>\n

\"Geotherme<\/a><\/p>\n

On voit que dans le manteau, la temp\u00e9rature est toujours inf\u00e9rieure \u00e0 la temp\u00e9rature de fusion, alors que dans le noyau on traverse la courbe de fusion, et on passe donc d’un \u00e9tat de fer liquide \u00e0 un \u00e9tat de fer solide.<\/em><\/p>\n

Il est assez fascinant de penser que la compr\u00e9hension de la structure de la Terre est le r\u00e9sultat d’observations \u00e0 tr\u00e8s grande \u00e9chelle \u2013 les ondes sismiques \u2013 coupl\u00e9es \u00e0 des manips tr\u00e8s petites mais en conditions extr\u00eames, qui permettent de soumettre des mat\u00e9riaux \u00e0 des temp\u00e9ratures et des pressions \u00e9normes pour mesurer leur \u00e9tat. L’une de ces mesures a d’ailleurs tout r\u00e9cemment \u00e9t\u00e9 faite par des chercheurs fran\u00e7ais et pr\u00e9dit une temp\u00e9rature de fusion du fer \u00e0 la limite noyau-graine de l’ordre de 6000\u00b0C, soit significativement plus que la courbe que j’ai repr\u00e9sent\u00e9 ci-dessus ! Il se pourrait donc que le centre de la Terre soit donc plus chaud que l’on pensait avant (<\/em>Anzellini, S., et al. \u00ab\u00a0Melting of Iron at Earth\u2019s Inner Core Boundary Based on Fast X-ray Diffraction<\/a>.\u00a0\u00bb Science<\/i> 340.6131 (2013): 464-466.)<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Les donn\u00e9es pour le graphique de temp\u00e9rature et pression<\/a><\/em><\/p>\n

Boehler, Reinhard. \u00ab\u00a0Melting temperature of the Earth’s mantle and core: Earth’s thermal structure.<\/a>\u00a0\u00bb Annual Review of Earth and Planetary Sciences 24.1 (1996): 15-40.<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Connaissez-vous la structure de la Terre\u00a0? Pour ma part, je pensais avoir une id\u00e9e raisonnable sur cette question, mais je me suis rendu compte en pr\u00e9parant ce billet que quelques unes de mes conceptions \u00e9taient totalement fausses\u00a0! J’ai aussi \u00e9t\u00e9 frapp\u00e9 par le nombre de choses que l’on peut apprendre sur ce qu’il y a<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"jetpack_post_was_ever_published":false,"_jetpack_newsletter_access":"","_jetpack_dont_email_post_to_subs":false,"_jetpack_newsletter_tier_id":0,"_jetpack_memberships_contains_paywalled_content":false,"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[91,6],"tags":[14,24,38],"class_list":{"0":"post-4729","1":"post","2":"type-post","3":"status-publish","4":"format-standard","6":"category-geologie","7":"category-physique","8":"tag-etats-de-la-matiere","9":"tag-mecanique-des-fluides","10":"tag-mineralogie"},"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"post_mailing_queue_ids":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/4729","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=4729"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/4729\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=4729"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=4729"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=4729"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}