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La masse de la Terre et sa structure interne

Dossier - Petite vulgarisation de géologie abordée sous l'aspect historique
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La masse de la terre

Newton découvrit la loi d'attraction entre deux corps qui dépend de la masse des deux corps et de leur distance. Mais il ne connaissait pas la valeur de la constante de gravitation, ce qui fait qu'il ne pouvait pas estimer la masse de la Terre.

Ce ne sera qu'en 1798 que Cavendish pourra déterminer cette constante, au moyen d'un dispositif expérimental à torsion de fils (en réaction à l'attraction de deux petites boules de masse connues).

Ainsi, en mesurant la force d'attraction que la Terre exerce sur une masse connue, on peut en déduire la masse de la Terre. On obtient environ 6 10 24 kg. En conclusion, on sait estimer la taille (diamètre, surface, volume) et la masse de la Terre. On peut alors calculer sa densité moyenne: soit environ 5,5 fois celle de l'eau.

Or, des mesures de densité des roches à la surface de la Terre indiquent 2,8. Le centre de la Terre doit donc être bien plus dense. On verra qu'en fait la Terre est formée de couches. Cette structure est révélée, entre autre, grâce aux tremblements de Terre (sismique).

Structure interne

* Il existe plusieurs types d'ondes sismiques :

Les ondes de surface permettent l'étude des propriétés de la croûte extérieure: l'écorce terrestre.
Les ondes profondes vont pénétrer l'intérieur de la Terre et indiquer sa composition chimique et ses conditions physiques (densité, température, pression, etc.). Ces ondes profondes sont de deux types: primaires ou secondaires. Les ondes primaires peuvent se propager dans un milieu solide, liquide ou gazeux. Par contre, les secondaires ne traversent que les milieux solides. Mais la vitesse de détection est plus rapide pour les secondaires, ce qui permet au sismologue d'estimer la distance de la source des secousses. L'épicentre est défini comme le point de la surface terrestre situé à la verticale de la source interne.

En outre, les vitesses des ondes dépendent des roches traversées et de leur température, densité, pression, etc. On a ainsi pu évaluer leurs densités: 2,8 en surface, 5 à 1'500 km de profondeur et 6 à 2'900 km. Or, à cette profondeur de 2'900 km, Oldham remarqua (en 1906) que les ondes secondaires ne passaient plus. Il en déduisit qu'en dessous, la région devait être liquide.

Gutenberg précisa cette région-limite en 1914 (on donna son nom à cette discontinuité). Il en calcula aussi la distance. Le noyau liquide commence à environ 3'500 km du centre de la Terre.

En 1936 Bullen calcula les densités des couches profondes et ses résultats furent confirmés en 1960, après l'étude d'un tremblement de Terre au Chili. La densité change brutalement de 6 à 9 à l'endroit précis de la discontinuité de Gutenberg. La densité augmente ensuite régulièrement jusqu'à 11,5 au centre.

Le noyau

Dès 1866, Daubrée suggéra la présence d'un noyau formé principalement de fer. Cette théorie sera assez bien vérifiée par les sismologues. On précisa alors l'ordre de grandeur des pressions gigantesques: 1 million d'atmosphères pour la surface du noyau et 3 millions au centre. De même pour les températures qui atteindraient au moins 5'000 degrés.Sous ces conditions, le fer est liquide. Sa densité varie de 9 à 12.

Mais une discontinuité dans le noyau a été remarquée en 1936 par Lehmann, lorsqu'il y observa une "zone d'ombre pour les ondes primaires" (vers 1'300 km du centre de la Terre).

Actuellement, on pense qu'il y a un noyau liquide situé entre 1'300 et 3'500 km du centre de la Terre et composé d'un mélange fer-nickel. Finalement, il se pourrait bien qu'il y ait un premier noyau central à l'état solide (en fer-nickel, de 1'300 km de rayon). A moins que ce noyau central ne soit aussi liquide, mais de composition chimique différente ?

Le manteau et la croûte (écorce terrestre)

Ce sont les régions externes qui entourent le noyau.

En 1919, Adams proposa que leur composition chimique est à base de silicates (avec du magnésium et du fer, mais peu d'aluminium).

Plus tôt, en 1909, Mohorovicic avait découvert l'existence d'une nouvelle discontinuité, située à une trentaine de km de la surface. C'est la limite du manteau (situé en-dessous), nommée "discontinuité de Moho". La fine couche externe est la croûte terrestre.

L'analyse des ondes de surface par Love, Rayleigh et Ewing révèla que la croûte est d'épaisseur variable: plus mince sous les océans (parfois 5 km), mais plus épaisse sous les chaînes de montagnes (parfois jusqu'à 60 km).

On pense actuellement qu'il y a deux matériaux principaux dans la croûte: le basalte et le granit. Le granit flotte sur le basalte en formant les continents, car il est moins dense. Les montagnes sont localisées aux endroits d'épaisseur plus importante de basalte. Sous les océans, par contre, le basalte ne supporte quasiment pas de granit, mais il y a une petite couche de sédiments de quelques centaines de mètres.