Avant de comprendre pourquoi la Terre tremble ou pourquoi les continents se déplacent, il faut connaître l'organisation de l'intérieur du globe. Ce chapitre présente les enveloppes concentriques de la Terre, les discontinuités qui les séparent et la distinction fondamentale entre lithosphère et asthénosphère, sur laquelle repose toute la tectonique des plaques. C'est un chapitre de base dont les schémas et les valeurs sont systématiquement demandés en contrôle.
1. Comment connaît-on l'intérieur de la Terre ?
Le rayon terrestre est d'environ 6 370 km, alors que les forages les plus profonds n'atteignent qu'une douzaine de kilomètres. La connaissance de l'intérieur du globe est donc indirecte. Le premier indice est la densité moyenne de la Terre, proche de 5,5, très supérieure à celle des roches de surface (environ 2,7 pour le granite) : les profondeurs doivent être constituées de matériaux beaucoup plus denses, riches en fer. L'étude des météorites (chondrites, sidérites) renseigne sur la composition d'ensemble des planètes telluriques.
L'outil décisif reste la sismologie. Les ondes émises par les séismes traversent le globe et leur vitesse dépend de la densité et de l'état (solide ou liquide) des milieux traversés. Les ondes P (longitudinales, les plus rapides) se propagent dans tous les milieux ; les ondes S (transversales) ne se propagent pas dans les liquides. Les variations brutales de vitesse en profondeur révèlent des discontinuités, et l'absence d'ondes S au-delà de 2 900 km prouve que le noyau externe est liquide.
2. La croûte ou écorce terrestre
La croûte représente seulement 2 % du volume de la Terre. On distingue la croûte continentale, épaisse de 30 à 70 km (la plus épaisse sous les chaînes de montagnes), de nature granitique dans sa partie supérieure, de densité voisine de 2,7, et la croûte océanique, mince (5 à 10 km), de nature basaltique et gabbroïque, plus dense (environ 3,0). La croûte continentale est ancienne (les boucliers dépassent 2 milliards d'années) alors que la croûte océanique ne dépasse pas 180 millions d'années environ. La base de la croûte est marquée par la discontinuité de Mohorovicic (le Moho), où la vitesse des ondes P passe brusquement d'environ 6-7 km/s à environ 8 km/s.
3. Le manteau
Le manteau s'étend du Moho jusqu'à environ 2 900 km de profondeur et constitue 81 % du volume du globe. Il est formé de péridotite, roche ultrabasique riche en olivine et en pyroxènes, de densité 3,3 en surface augmentant avec la profondeur. On distingue le manteau supérieur (jusqu'à environ 670-700 km, limité par une zone de transition où les minéraux changent de structure) et le manteau inférieur. Le manteau est solide, mais à l'échelle des temps géologiques il se comporte comme un matériau plastique capable de fluer lentement : c'est le siège des mouvements de convection qui évacuent la chaleur interne et entraînent les plaques. La limite manteau-noyau est la discontinuité de Gutenberg, le contraste de densité le plus important du globe.
4. Le noyau
Le noyau occupe 17 % du volume mais près d'un tiers de la masse de la Terre. Il est composé essentiellement de fer et de nickel. Le noyau externe (2 900 à environ 5 150 km) est liquide : les ondes S ne le traversent pas et les ondes P y sont fortement ralenties, ce qui crée une zone d'ombre sismique. Les mouvements de ce fer liquide engendrent le champ magnétique terrestre (effet dynamo). Le noyau interne ou graine (de 5 150 km jusqu'au centre) est solide malgré des températures de plusieurs milliers de degrés, du fait de l'énorme pression. La limite entre les deux est la discontinuité de Lehmann.
5. Lithosphère et asthénosphère : le découpage mécanique
Le découpage croûte / manteau / noyau est fondé sur la composition chimique. Pour la géodynamique, c'est le découpage fondé sur le comportement mécanique qui compte. La lithosphère regroupe la croûte et la partie supérieure du manteau : elle est rigide, épaisse de 70 à 150 km en moyenne (plus mince sous les dorsales, plus épaisse sous les vieux continents), et découpée en plaques. Elle repose sur l'asthénosphère, partie du manteau supérieur moins rigide, ductile, dont le sommet est marqué par une zone à faible vitesse sismique (LVZ, low velocity zone), signe d'une très légère fusion partielle. La chaleur interne (désintégration des éléments radioactifs, chaleur initiale) alimente le gradient géothermique, d'environ 30 °C par km dans la croûte, et la convection de l'asthénosphère.
Surface en profondeur où la vitesse des ondes sismiques change brusquement, traduisant un changement de composition ou d'état de la matière : Moho (croûte/manteau), Gutenberg (manteau/noyau), Lehmann (noyau externe/noyau interne).
Enveloppe externe rigide de la Terre (croûte + manteau supérieur lithosphérique), épaisse d'environ 100 km, fragmentée en plaques qui se déplacent sur l'asthénosphère ductile.
| Enveloppe | Profondeur | Nature | État | Volume |
|---|---|---|---|---|
| Croûte continentale | 0 – 30 à 70 km | Granitique (Si, Al) | Solide | 2 % (croûte totale) |
| Croûte océanique | 0 – 5 à 10 km | Basalte, gabbro | Solide | — |
| Manteau | Moho – 2 900 km | Péridotite (olivine, pyroxènes) | Solide plastique | 81 % |
| Noyau externe | 2 900 – 5 150 km | Fer, nickel | Liquide | 17 % (noyau total) |
| Noyau interne (graine) | 5 150 – 6 370 km | Fer, nickel | Solide | — |
Les enveloppes de la Terre
- La structure interne est connue indirectement, surtout grâce aux ondes sismiques (P dans tous les milieux, S uniquement dans les solides).
- Trois enveloppes chimiques : croûte (2 %), manteau (81 %), noyau (17 % du volume).
- Discontinuités : Moho (croûte/manteau), Gutenberg (2 900 km, manteau/noyau), Lehmann (5 150 km, noyau externe/interne).
- Le noyau externe est liquide (zone d'ombre des ondes S) et produit le champ magnétique ; la graine est solide.
- Lithosphère rigide (croûte + manteau supérieur, environ 100 km) sur asthénosphère ductile : c'est le découpage mécanique utilisé en tectonique des plaques.
Le schéma des enveloppes de la Terre à compléter (profondeurs et noms des discontinuités) et la question « quelle différence entre croûte/manteau et lithosphère/asthénosphère ? » reviennent presque chaque année. Piège classique : la lithosphère n'est pas la croûte, elle comprend aussi une partie du manteau supérieur. Sache aussi expliquer pourquoi l'absence d'ondes S prouve que le noyau externe est liquide.