La structure de la Terre

Conceptions historiques ↑ 

Les mouvements de la Terre

Aristote s'inscrit dans la théorie des quatre éléments : la Terre est exclusivement formée... de l’élément terre; la partie superficielle du globe contient des cavités. Le vent (ou souffle interne), sortant de ces cavités, provoque des tremblements de terre; l'élément terre, broyé en petites particules, prend feu et donne des volcans (Deparis, 2000).

Au 17ème siècle, la Terre est creuse et abrite le feu intérieur. Une des représentations les plus célèbres de cette théorie est celle d'Athanasius Kircher : disposition théorique des réserves de feu souterraines dont les volcans sont les soupiraux.


Le modèle "de la pomme ridée" est largement répandu au 19e siècle; il sera repris par Elie de Beaumont en 1834, lequel insiste sur les soulèvements, mais surtout formalisé par Suess, qui lui insiste sur les effondrements. La théorie de la contraction par refroidissement sera exposée dans les manuels scolaires jusqu'au milieu du 20ème siècle.

Certains ont bien remarqué des continuités géologiques et / ou faunistiques entre l'Amérique du sud et L'Afrique, mais on préfère les expliquer par l'effondrement de masses continentales (l'Atlantide) ou l'existence de ponts continentaux disparus ensuite. Mais les géologues vont faire preuve d'un conservatisme extraordinaire rejetant pendant plus de 100 ans l'idée de mouvement horizontaux de la surface de la Terre.

Au contraire Snider-Pellegrini envisage en 1858 la fragmentation d'un bloc continental unique provoquée par le déluge (il s'agit sans doute de la première illustration d'un déplacement des continents).

En 1889 Roberto Mantovani (violoniste et géologue !) est à l'origine d'une théorie de l'expansion du globe, opposée à celle de la pomme ridée.

Et il représente tous les continents réunis à l'origine en un supercontinent austral !

L'idée de l'expansion océanique sera défendue par Samuel Carey, un farouche défenseur de l'idée de déplacement des continents après la seconde guerre mondiale puis un contributeur du modèle de la tectonique des plaques dès 1954.

Il faut cependant attendre Alfred Wegener (Wegener, 1912) pour l'accumulation d'un nombre considérable d'arguments s'opposant aux idées en faveur. Wegener cite les nappes de charriage alpines, qui témoignent de raccourcissements bien plus importants, le non refroidissement : «on ne peut plus regarder l'état thermique actuel comme une phase du refroidissement progressif de la Terre, mais plutôt comme un état d'équilibre entre la production de chaleur due à la radioactivité interne et son émission dans l'espace.» (p.12) et l'isostasie.

Wegener va (évidemment) accompagner ces critiques par la proposition d'une nouvelle théorie, celle du déplacement des continents (cf La dérive des continents).

Une des grandes lacunes des propositions de Wegener est l'absence d'un mécanisme satisfaisant qui déplacerait les continents; pourtant, dès 1929, Arthur Holmes calcule que la viscosité des couches internes de la Terre est suffisamment faible pour permettre leur mise en convection; il propose l'existence de mouvements ascendants sous les continents et descendants sous leurs marges.

Malgré le soutien de quelques individualités comme Holmes et Argand, le modèle du déplacement des continents est massivement rejeté par la communauté des géologues. Ce n'est qu'à partir des années 50 que des arguments décisifs apportés par l'étude du paléomagnétisme vont contraindre les plus incrédules à abandonner le modèle fixiste. Lors de leur refroidissement les laves enregistrent l'orientation du champ magnétique terrestre. Hors les relevés réalisés en Europe, puis en Amérique du nord ne peuvent s'expliquer que si on suppose les deux continents accolés au Trias, puis des déplacements différents conduisant à leur position actuelle (Hallam, 1976 p.61-69). La comparaison de relevés réalisés en Amérique et en Afrique est encore plus limpide.

La découverte d'anomalies magnétiques positives et négatives, disposées en bandes parallèles au large de la Californie n'est pas immédiatement comprise.

La dorsale médio-atlantique est découverte en 1952 par Mary Tharp qui propose d'expliquer sa présence par l'expansion océanique, théorie que son collaborateur Bruce Heezen qualifie de "truc de fille" et "d'hérésie scientifique" (elle devra patienter plus de 10 ans avant d'embarquer sur un navire océanographique en raison des traditions maritimes machistes).

C'est Harry Hess qui en 1962 réécrit l'hypothèse de Holmes sur les courants de convection dans le manteau terrestre. Cette fois c'est au niveau des dorsales que les matériaux remontent des profondeurs. En 1963, Fred Vine et Drummond Matthews expliquent par l'expansion du fond océanique et l'inversion périodique du champ magnétique terrestre les anomalies observées de part et d'autre des dorsales (Vine, 1963). Les années qui suivent seront consacrées à une mise en cohérence des différents éléments constituant le modèle de la tectonique des plaques (Wilson : volcans de point chaud et failles transformantes, Morgan, Mc Kenzie, Le Pichon). En France il faudra attendre la fin des années 70 pour que le modèle de la tectonique des plaques soit enseigné au niveau universitaire.


Il convient de souligner un aspect souvent mal compris de la théorie actuelle : si c'est bien la chaleur produite dans le manteau qui fournit l'énergie nécessaire aux déplacements des plaques, ce sont les plaques qui organisent la convection et non la convection qui détermine les mouvements des plaques (sauf peut-être lors du rifting ?). L'élément déterminant (mais sans doute pas totalement exclusif) de la tectonique des plaques est l'enfoncement du plancher océanique âge qui "coule" dans l'asthénosphère et l'expansion océanique n'en est qu'une conséquence. Cette erreur (donnant le rôle moteur à la convection) a une origine historique parce que c'est l'étude des dorsales et non celle des zones de subduction qui a fournit les premiers arguments incontestables de la théorie des plaques. Pourtant, dès 1953 Samuel Carey propose que l'expansion océanique au niveau des dorsales soit compensée par la subduction (sans employer ce terme utilisé à l'époque dans un sens différent de l'actuel pour décrire les charriages dans les chaines de montagnes) en s'appuyant sur les travaux de Wadati (1928) et de Benioff (1949). Le dédain de cette idée par la communauté scientifique (sa publication dans le Journal of Geophysical Research est rejetée) le conduit même étrangement à l'abandonner pour un modèle d'expansion du globe (Scalera, 2002).

Il est est tout à fait dommage dommage de constater que les écrits originaux de Carey soient aujourd'hui introuvables. Quoiqu'il en soit la découverte de différents types de dorsales (dont les dorsales rapides sans rift médian et les seules à produire une croûte océanique épaisse de plus de 5km) l'absence de volcans associés à l'apparition de l'océan atlantique (contrairement au rift de l'Afar) font apparaitre le modèle initial un peu trop simpliste. La question de l'initiation de la subduction reste un sujet de débat (le déplacement des plaques cause-t-il leur rupture et leur effondrement ou bien l'augmentation de densité de la lithosphère océanique est-elle à l'origine de l'effondrement, créant le déplacement ? une histoire de poule et d'oeuf).

Du point de vue de l'enseignement, ces difficultés historiques de la théorie des plaques (dans ses développements récents) devraient inciter à ne plus séparer l'étude de l'expansion océanique de celle de la subduction et peut-être à inverser l'ordre d'enseignement de ces notions par rapport à la séquence historique de leur découverte.

Structure de la Terre

Constatant que la densité moyenne de la Terre calculée par Cavendish en 1798 est supérieure à celle des roches, Wiechert propose le modèle manteau-noyau : le noyau possède la composition des météorites métalliques (Wiechert, 1898), le manteau est ce qui recouvre le noyau (en allemand, Mantel).

L'existence d'une zone d'ombre lors de la propagation des ondes sismiques à l'intérieur du globe permet à Gutemberg de déterminer les dimensions du noyau (Gutemberg, 1913). L'absence de propagation des ondes transversales de cisaillement (ondes P) à travers les couches profondes indique que le noyau est liquide (Gutemberg, 1926). Le perfectionnement des sismographes permet en 1936 d'observer des ondes P de faible amplitude (notées PKIKP) à l'intérieur de la zone d'ombre. La danoise Inge Lehmann en déduit l'existence d'une réflexion de ces ondes sur une surface située à 5100 km de profondeur, séparant la partie centrale du noyau, solide, de son extérieur liquide (Lehmann, 1936).

Le fonctionnement de la boussole est d'abord expliqué en comparant la Terre à un gigantesque aimant (Gilbert, 1600 puis Gauss, 1838). Mais les températures exigées par la présence de fer à l'état liquide dans le noyau sont incompatibles avec l'explication par le magnétisme rémanent du fer (point de Curie=770°C). En 1939, William Elsasser propose la théorie de la dynamo, déjà développée par J. Larmor pour expliquer le champ magnétique généré par le Soleil (Elsasser, 1939) : le champ magnétique terrestre trouve son origine dans des courants turbulents animant la partie liquide du noyau, combinés à la rotation journalière de la Terre. Cette théorie reste encore extrêmement floue. Le fait que ces courants soient irréguliers et que le champ magnétique s'inverse assez fréquemment complique les choses.

Origine de la chaleur

Les idées sur la production de chaleur sont en partie liées aux calculs de l'âge de la Terre :

• Charles Lyell, à la suite de James Hutton suppose que les phénomènes (comme sédimentation et érosion) se déroulaient dans le passé à la même vitesse qu'aujourd'hui. En appliquant ce principe de l'actualisme, Charles Darwin estime, en 1859, à 300.10⁶ ans le temps mis par la mer pour creuser la vallée de Weald dans le sud de l'Angleterre.
• Au contraire, William Thomson (Lord Kelvin) se base sur le refroidissement d'une sphère liquide composée de fer et de silicates (la liquéfaction s'étant produite lors de l'accrétion originelle des matériaux constitutifs); en 1862 il calcule pour la Terre un âge de seulement 24.10⁶ ans, plus en accord avec ses conceptions religieuses. En 1895, John Perry montre qu'avec un intérieur liquide ou en partie fluide les mouvements de convection transfèrent bien plus vite la chaleur que prévu et que les calculs de Kelvin ne peuvent qu'être faux.

Seule la découverte de la radioactivité, au début du 20ème siècle, mettra fin à cette polémique en fournissant à la fois une source de chaleur acceptable aux yeux des physiciens et un moyen de datation absolue basé sur les proportions des isotopes (Rutherford). En 1905 Boltwood, utilisant la transformation du radium en plomb attribue à différentes roches des âges s'échelonnant de 92 à 570 million d'années. Arthur Holmes développe ses datations dès 1911 et publie en 1927 The Age of the Earth, à laquelle il attribue un âge de 1,6 à 3 milliards d'années.

Il convient de ne pas confondre ces désintégrations radioactives avec la fission comme par exemple celle de l'uranium 235; la fission d'un noyau d'uranium 235 produit des neutrons qui peuvent à leur tour provoquer la fission d'autres noyaux d'uranium 235 : cette réaction en chaîne est utilisée dans les réacteurs nucléaires et produit considérablement plus d'énergie que la désintégration radioactive. Pour la plupart des géologues, les masses cumulées des éléments radioactifs sont suffisantes pour expliquer le flux de chaleur constaté par des désintégrations radioactives, sans faire intervenir des réactions de fission. Au contraire, J. M. Herndon, pense que la concentration en uranium 235 du noyau est suffisante pour que se déclenchent des réactions de fission (Herndon, 2003).

Discussion

Parmi les problèmes non résolus :

• L'origine des courants de convection (source chaude à la limite manteau-noyau ? dans le manteau ?) et l'existence de différents types de points chauds (Foulger).
• La composition exacte du noyau (le plus souvent on attribue à la Terre la composition des chondrites à enstatite).
• La température du noyau (estimée à 5500°K, mais avec une incertitude de ± 1000°K !).
• l'existence d'une source de chaleur dans le noyau (autre que le maintien d'une température constante par cristallisation du fer), comme la présence de potassium radioactif.
• Les variations du flux de chaleur produit par ce noyau. Pour Vincent Courtillot, la coïncidence de périodes pendant lesquelles la fréquence de inversions est quasi-nulle (intervalle normal du Crétacé et intervalle inverse du Permo-carbonifère) avec des phases de volcanisme intense (formation des "traps" du Deccan il y a 65 millions d'années) n'est pas le fait du hasard, mais correspondrait à l'épaississement, puis à la rupture d'une couche D'' d'environ 200 km d'épaisseur située à la limite manteau-noyau (Courtillot, 1992).

Anciens manuels scolaires ↑ 

Les manuels scolaires brillent par les explications fausses et fantaisistes continuant à véhiculer des erreurs longtemps après leur abandon par les géophysiciens.




Même si la légende ne dit rien de l'état physique du noyau, ce schéma est en totale contradiction avec les données sismiques et le modèle admis à l'époque en recherche: c'est le noyau qui est liquide et non le manteau, ici nommé magma, donc connoté avec la lave des volcans. Et accessoirement le noyau est nettement plus petit !

 Quelques énoncés dans les programmes scolaires français

Les énoncés reproduits visent à donner une impression d'ensemble et ne constituent qu'une partie des libellés.

Programme du cycle 3 ^(2.1) : «*manifestations de l'activité de la Terre (volcans, séismes)»

Programme du cycle central du collège ^(2.2) : «Les séismes résultent d’une rupture brutale des roches en profondeur et se manifestent par des déformations à la surface de la Terre. Les séismes sont particulièrement fréquents dans certaines zones de la surface terrestre. Le volcanisme est l’arrivée en surface de matière minérale en fusion : le magma. Les volcans actifs sont répartis de façon irrégulière à la surface du globe, sur les continents et dans les océans.

La partie externe de la Terre est formée de plaques animées d’un mouvement permanent. La répartition et les caractères des séismes et des manifestations volcaniques permettent de délimiter les plaques. Les variations de la vitesse des ondes sismiques en profondeur permettent de distinguer la lithosphère, rigide, de l’asthénosphère qui l’est moins. A raison de quelques centimètres par an, les matériaux des plaques se forment et s’écartent à l’axe des dorsales, se rapprochent et s’enfouissent aux frontières de convergence. Une partie importante de l'énergie responsable du mouvement des plaques provient de matériaux radioactifs présents en profondeur. Ces mouvements assurent le déplacement des continents, l’ouverture et la fermeture des océans.»

Programme de première S ^(2.4) : « L'étude de la propagation des ondes sismiques montre que la Terre est structurée en enveloppes concentriques. Seuls les matériaux de la croûte et du manteau supérieur sont observables à la surface de la Terre. On peut néanmoins, par des modèles et des raisonnements qui tiennent compte de la formation de la Terre à partir des chondrites, préciser les compositions du manteau profond et du noyau.

Différentes données géologiques (âges des sédiments des fonds océaniques, alignement des volcans de points chauds, anomalies magnétiques) permettent de reconstruire les directions et les vitesses des mouvements des plaques ainsi que leurs variations pour les 180 derniers millions d'années de l'histoire de la Terre. Les dorsales océaniques sont le siège d'une production importante de magma : de l'ordre de 20 km3 par an. Ces magmas sont issus de la fusion partielle des péridotites du manteau induite par décompression. Ils sont de nature basaltique. La fusion partielle leur donne une composition chimique différente de celle de la roche source. Le refroidissement plus ou moins rapide des magmas conduit à des roches de textures différentes (basaltes/gabbros). En s'éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique se refroidit, s'hydrate et s'épaissit. Les marges passives des continents sont structurées par des failles normales et sont le siège d'une sédimentation importante. Elles ont enregistré l'histoire précoce de la rupture continentale et de l'océanisation. L'activité des failles normales, héritage de rifts continentaux, témoigne de l'amincissement de la lithosphère et de sa subsidence.

La fabrication de la lithosphère océanique, la subduction et les mouvements des plaques lithosphériques sont les manifestations d'une convection thermique à l'état solide du manteau (transport de chaleur par mouvement de matière). Les dorsales océaniques traduisent des courants montants chauds de matériel du manteau. Les plaques en subduction traduisent des courants descendants froids.

Le magmatisme lié aux points chauds marque la remontée ponctuelle de matériel du manteau profond. Il s'exprime par des éruptions massives de laves basaltiques (plateaux océaniques, trapps, alignements insulaires).»

Programme de terminale S ^(2.5) : «Les zones de subduction sont le siège d’une importante activité magmatique caractéristique : volcanisme, mise en place de granitoïdes. Le magma provient de la fusion partielle des péridotites au-dessus du plan de Bénioff, témoignant de transformations minéralogiques dans les cette fusion est due à l’hydratation du manteau. L’eau provient de la déshydratation des roches de la plaque plongeante. Le long du plan de Bénioff, les roches de la lithosphère océanique sont soumises à des conditions de pression et de température différentes de celles de leur formation. Elles se transforment et se déshydratent. Des minéraux caractéristiques des zones de subduction apparaissent.

La collision résulte de la convergence de deux lithosphères continentales. Elle fait suite en général à une subduction et conduit à la formation d’une chaîne de montagnes.»

Les schémas qui suivent ont été obtenues par la consigne : "Représentez la structure de la Terre. Votre schéma doit expliquer l'origine de la lave émise par les volcans", dans une classe de première S en début d'année.

Maude Rudy Sarah Tom

Le magma a pour origine le centre de la Terre (constitué de liquide) : 15 élèves / 23. Le centre de la Terre est surdéterminé avec l'idée de "centre organisateur". Dans la réponse de Sarah les séismes naissent aussi au centre. La conception de Tom intègre sans doute des acquis scolaires: le centre de la Terre est solide, mais entouré d'une couche liquide (ce que nous appellerions le noyau externe); cependant, ici, c'est cette couche qui alimente les volcans.

Julien Graham

Le magma a pour origine la couche située entre le noyau et l'écorce 8 / 23 Généralement, toute cette zone est cependant fondue (liquide). Pour Graham, les frottements entre couches provoquent la fusion des roches de la zone intermédiaire : ici la zone fondue est bien plus limitée.

Quelques conceptions complémentaires. Les volcans se localisent sur des fractures, à la limite des plaques :

Florian Ghislaine Cette conception reprend quelques éléments de la théorie de la pomme ridée (avec l'idée de contraction en moins) et n'est pas non plus en contradiction avec le modèle actuel, au moins celui des dorsales.