Ondes sismiques et structure interne de la Terre/Modèle sismique de la Terre

Début de la boite de navigation du chapitre

fin de la boite de navigation du chapitre

Structure générale

Les sismologues ont pu mettre en évidence une structure assez complexe des couches s'étendant de la surface extérieure jusqu'à environ 700 kilomètres de profondeur, région qu'on appelle communément le manteau supérieur. En outre, on a pu établir que les couches les plus centrales, s'étendant du centre jusqu'à un rayon d'environ 1220 kilomètres, que l'on appelle le noyau interne ou encore la graine, transmettent les ondes transversales et se comportent donc comme un matériau solide, alors que les travaux classiques de Jeffreys et Bullen supposaient que la graine était liquide et ne transmettait pas les ondes transversales, à l'instar du noyau externe situé entre 2 900 et 5 200 kilomètres de profondeur.

Structure de la Terre. 1. Noyau interne 2. Noyau externe 3. Manteau inférieur 4. Manteau supérieur 5. Croûte terrestre 6. Surface terrestre.

Croûte terrestre et discontinuité de Mohorovičić

On vient de citer, sur base de la distribution des vitesses des ondes P et S, quelques unités structurales remarquables à l'intérieur de la Terre, telles la graine et le manteau supérieur. Afin de se familiariser avec la terminologie utilisée en géophysique interne pour pouvoir comprendre des articles plus techniques, il convient d'introduire l'ensemble de ces unités et d'en préciser les caractéristiques essentielles, mais sans aborder ici les méthodes par lesquelles on a pu les mettre en évidence. En s'enfonçant vers l'intérieur, à partir de la surface solide extérieure de la Terre, on rencontre trois régions principales qui sont la croûte, le manteau et le noyau.

La croûte terrestre, appelée « écorce terrestre » avant le début du XX^e, constitue la région la plus externe. Elle est limitée à sa base par une surface de discontinuité de première espèce. On appelle « surface de discontinuité de première espèce » relative à une propriété physique quelconque représentée par une fonction f(P), l'ensemble des points supposés former une surface dans l'espace physique à trois dimensions sur laquelle la fonction f(P) est discontinue. Par contre, sur une « surface de discontinuité de seconde espèce », la fonction f(P) elle-même reste continue, mais son gradient est discontinu. d'extension quasi-globale, la « surface de Mohorovičić ». L'épaisseur de la croûte, autrement dit la profondeur à laquelle se trouve la surface de Mohorovičić, est variable d'un endroit à l'autre et implique donc que la croûte constitue une grande unité géophysique pour laquelle l'idée d'une symétrie sphérique est dénuée de sens. En moyenne, sous le fond des océans, l'épaisseur de la croûte avoisine 6 à 7 kilomètres, ce qui place la surface de Mohorovičić en moyenne entre 10 et 12 kilomètres de profondeur à partir de la surface libre, définie comme la frontière entre le globe terrestre proprement dit et l'atmosphère. Par contre, sous les continents, la surface de Mohorovičić s'enfouit bien plus profondément dans la Terre, puisqu'on la rencontre en moyenne vers 35 kilomètres de profondeur.

Dans certaines régions continentales, en bordure d'un océan, la croûte s'amincit jusqu'à 20 kilomètres. Par contre, dans plusieurs régions montagneuses, elle s'épaissit jusqu'à plus de 60 kilomètres. La croûte continentale se distingue de la croûte océanique, non seulement par sa plus grande épaisseur, mais aussi par sa composition chimique et minéralogique. Pour l'essentiel, la croûte océanique est constituée de basaltes assez denses comparés aux matériaux formant la croûte continentale. Cette dernière est traditionnellement subdivisée en (1) croûte supérieure, composée de roches parmi lesquelles le granite semble prédominer et à laquelle on associe souvent une densité moyenne d'environ bokmål, et en (2) croûte inférieure, composée de basaltes dont la composition moyenne ne coïncide pas avec les basaltes océaniques. On leur attribue souvent une densité moyenne d'environ bokmål.

La croûte continentale forme un ensemble fort hétérogène, expression des très nombreux phénomènes géologiques et géodynamiques qui l'ont façonnée et qui continuent à la façonner. On ne peut donc pas fixer avec précision la frontière entre croûte continentale supérieure (upper continental crust) et croûte continentale inférieure (lower continental crust). Là où la frontière est suffisamment marquée pour être mise en évidence par des méthodes sismiques, on parle de « surface de Conrad ». D'autre part, au sommet de la croûte aussi bien continentale qu'océanique, on trouve en de nombreux endroits des couches de sédiments et de roches sédimentaires dont la densité est généralement comprise entre bokmål, et dont l'épaisseur cumulée est éminemment variable, allant de l'absence complète de sédiments à plusieurs kilomètres de roches sédimentaires. La croûte terrestre et l'ensemble de l'hydrosphère (océans, mers, lacs, cours d'eau, réserves d'eau souterraine) ne représentent qu'environ 0,8 % du volume total et seulement légèrement plus de 0,4 % de la masse totale de la Terre. À l'échelle du globe tout entier, on ne tient donc généralement pas compte de l'épaisseur variable et de la grande complexité structurale de la croûte, et on la remplace par une ou plusieurs couches sphériques reflétant seulement grossièrement ses propriétés moyennes. Cependant, il faut remarquer que c'est des couches supérieures de la croûte que nous sommes tributaires pour notre approvisionnement en minerais utiles et en hydrocarbures. Avant l'avènement de la théorie des plaques lithosphériques, vers le milieu des années 1960, c'était surtout l'étude de la croûte qui constituait l'essentiel des activités scientifiques des géologues. D'autre part, des méthodes géophysiques particulières sont utilisées pour l'exploration de la croûte.

Manteau terrestre et CMB

Directement sous la surface de discontinuité de Mohorovičić commence le manteau terrestre, qui s'étend jusqu'à une profondeur moyenne légèrement inférieure à 2 900 km. Le manteau, à lui seul, représente environ 82,7 % du volume total et environ 67 % de la masse totale de la Terre. On le subdivise traditionnellement en manteau supérieur et manteau inférieur. Actuellement, dans le modèle PREM, on considère que le manteau supérieur (upper mantle) se compose d'une région comprise entre les profondeurs de 24,4 et 80 km, désignée par LID (layer at intermediate depth, couche à profondeur intermédiaire), d'une région s'étendant de 80 à 220 km de profondeur et caractérisée par une diminution des vitesses des ondes sismiques P et S avec la profondeur, d'où son appellation couche à moindre vitesse [expression plus correcte que l'expression anglaise low velocity zone (LVZ) ou low velocity layer (LVL)], et d'une région de transition (transition zone), subdivisée elle-même en trois couches distinctes : de 220 à 400 km, de 400 à 600 km, de 600 à 670 km, caractérisées par des gradients de vitesses plus importants que dans les autres régions. Le manteau inférieur (lower mantle) est lui-même subdivisé dans le modèle PREM en trois couches : de 670 à 771 km, de 771 à 2 441 km, de bokmål. La couche la plus basse (appelée « région D″ ») se caractérise par des gradients de vitesses très faibles.

Le manteau inférieur est séparé à sa base, à 2 891 km de profondeur, par une surface de discontinuité majeure de première espèce qui le sépare de la région située en dessous, à savoir le noyau terrestre. Cette surface est appelée discontinuité de Gutenberg (ou surface de Wiechert-Gutenberg), mais une appellation plus courante est CMB, abréviation de (en) core-mantle boundary. En franglais, on la nomme aussi interface noyau-manteau.

Noyau terrestre et ICB

Dans le modèle PREM, le noyau terrestre se subdivise en deux régions, le noyau externe (outer core), liquide car caractérisé par l'absence d'ondes S, s'étendant de 2891 à 5 149,5 km de profondeur, et le noyau interne ou graine (inner core), solide à l'instar du manteau et de la croûte, s'étendant de la surface de Lehmann ou encore ICB (pour inner core boundary ; en franglais, interface graine-noyau) à 5 149,5 km de profondeur jusqu'au centre à 6 371 km de profondeur. Au total, le noyau représente environ 16,5 % du volume et un peu moins du tiers de la masse de la Terre. Notons que le rayon de la graine, approximativement 1 221 km, vaut environ 70 % du rayon de la Lune (1 738 km).

Le noyau est la région dans laquelle la partie principale du champ géomagnétique est engendrée par un effet de dynamo autoexcitée et, pour cela, mérite une étude particulière. D'autre part, la formation du noyau pose un ensemble de questions géophysiques, géochimiques et cosmochimiques très intéressantes. On considère, en effet, que le noyau est pour l'essentiel composé de fer et de nickel, contrairement au manteau et à la croûte qui sont faits surtout de silicates nettement moins denses. La formation du noyau a dû libérer une formidable quantité d'énergie gravifique dont il convient de ne pas sous-estimer l'influence sur l'évolution géodynamique de la Terre. Le noyau terrestre renferme la réponse à de nombreuses questions que les géophysiciens se posent, et constitue actuellement un domaine d'investigation privilégié. En particulier, si le noyau dans son ensemble s'est probablement formé très vite après la formation de la Terre elle-même, il y a environ 4,5 milliards d'années, on pense que la graine est toujours en train de se former au détriment du noyau liquide et de pourvoir à l'énergie nécessaire pour maintenir en action la dynamo produisant le champ géomagnétique.