Discontinuité de Conrad

Discontinuité de Conrad

Cette première discontinuité que les ondes de volume enregistrent, est située dans la croûte (plus précisément, la croûte continentale). Comme nous l’avons mentionné précédemment, la croûte continentale présente de nombreuses variations, la sismologie artificielle a permis de matérialiser une discontinuité séparant une croûte supérieure à la rhéologie plutôt cassante susceptible d’être faillée, aux vitesses d’ondes P comprises en moyenne entre 5,6 et 6,3 km.s–1, d’une croûte inférieure plus ductile et aux vitesses d’ondes P plus élevées, comprises entre 6,5 et 7,5 km.s–1.

Cette discontinuité est appelée discontinuité de Conrad, les chaînes de montagnes récentes constituent les principaux endroits où elle n’est pas visible. (Voir le schéma ci-dessous).

Ce schéma montre la localisation la discontinuité de conrad, qui sépare la croute supérieure de rhéologie plus cassante, de la croute inférieure de rhéologie plus ductile. Source @GÉOLOGIE TOUT-EN-UN 1^er et 2^e années BCPST.

<<< Notion de discontinuité           Discontinuité de Mohorovicic >>>

Notions de discontinuité

Notion de discontinuité

Propriétés physiques des enveloppes de la terre

Jusqu’à maintenant, nous avons abordé la constitution de notre globe sans mettre le point en détail sur la méthode qui a permis la mise en évidence de ces structures. Mais ce qui faut savoir est que ces découvertes ont été faites par une sorte d’échographie de l'intérieur de la Terre, établie à partir du comportement des ondes sismiques lors des tremblements de terre.

De façons brèves (les détails seront abordés dans le chapitre sismologie), lors que un séisme se produit une énergie se libère se forme d’ondes appelés « ondes sismiques » qui traversent toute la terre dont certaines passant par les différentes enveloppes de la terre, leurs vitesse varie sensiblement selon la nature du milieu traversé. Certains types d'ondes se propagent autant dans les liquides, les solides et les gaz, alors que d'autres types ne se propagent que dans les solides. Lorsque qu'il se produit un tremblement de terre à la surface du globe, il y a émission de ces ondes dans toutes les directions. Il existe deux grands domaines de propagations d’ondes :

Les ondes de surface, celles qui se propagent à la surface du globe, dans la croûte terrestre, et qui causent tous ces dommages associés aux tremblements de terre, et les ondes de volume, celles qui se propagent à l'intérieur de la terre et qui peuvent être enregistrées en plusieurs points du globe. Chez les ondes de volume, on reconnaît deux grands types : les ondes de cisaillement ou ondes S, et les ondes de compression ou ondes P, et c’est les ondes de volume qui sont l’outil élémentaire pour détecter tout changement de milieu dans la terre.

Les discontinuités

En physique, la notion de discontinuité est définit comme un plan où il constitue une frontière séparant 2 milieux de propriété physiques différentes, en géophysique cette définition est appliqué aux ondes sismiques qui traverses les différents ensembles de la terre. Lorsque le milieu change, c'est-à-dire, la température et la pression et la composition chimique et physique, cela influe sur la vitesse de déplacement des ondes qui les traversent, mais aussi ils peuvent être dévies de leurs trajectoires (comme dans le cas des rayons de lumière), en toute simplicité, ils sont soit réfléchis soit réfracter.

Le schéma ci-dessus montre la réflexion des ondes lors d’un séisme (foyer du séisme), et mesuré après par la station sismique. Source@ SVT-bac.

Méthode de détermination

La détermination de ces discontinuités, revient avant tout à la détermination des changements de vitesses de ces ondes déterminés grâce aux retards dans le temps de mesure de leurs arrivés (Enregistrées par les stations sismiques) lors d’un séisme, les enregistrements sont suivis par des stations sismiques installées un peut par tout dans le monde (réseaux sismologique, voir chapitre suivant).

Discontinuité de Conrad >>>

La graine

La graine

La graine est la partie interne du Noyau, formée également de fer mais aussi de nickel mais elle est en état solide, cette enveloppe commence à 5 100 km et vas jusqu’au centre de la Terre (6 375 km) avec Vp = 10,5 à 11,3 km/s, et d = 12 à 12,5. Il est à noter que les ondes S ne traversent pas le noyau qui, pour elles, réagit comme un liquide. Donc son étude est faite à partir des analyses indirectes, telles les chondrites.

Les météorites

Les météorites qui sont des morceaux de roches dont leurs origine est depuis l’espace (ceinture d’astéroïdes ou même aux confins du système solaire, voir Blog Astronomie ici >>>).  Ces météorites sont de compositions chimiques variées, dont certains sont rare, tels les Sidérites qui sont exclusivement composé de Fer. Ces derniers sont de tailles très variantes, allant d’un gravier jusqu’à l’astéroïde large de plusieurs centaine de kilomètre.

Pour plus détails, visité le Blog Astronomie, dans lechapitre dédier aux astéroïdes et météorites >>>.   

Rôle et implication des météorites dans la formation de la terre

Brièvement, l’étude des chondrites, supposées de même composition et de même âge que la Terre a livré une information essentielle : formé de cristaux d’olivine et de pyroxène, les chondrites présentent une matrice dominée par une association de fer et de nickel (20 % de fer et 75 % d'olivine + pyroxène, et 5 % d'autres choses (du Ni, du S, du P...)). Si on fond et différencie une chondrite, on obtient 25 % de fer (pur à 80 %, avec diverses impuretés dissoutes) qui se sépare par gravité des 75 % de surnageant silicaté. En fondant une chondrite, on retrouve donc la Terre aux incertitudes près. Les autres types de météorites (achondrites, pallasites, météorites de fer...) sont des équivalents de la croûte, du noyau et du manteau terrestre.

Ces observations permettent de postuler que selon toute probabilité et vraisemblance, la Terre n'est qu'une grosse chondrite différenciée. Cette conclusion est renforcée par le fait que Terre et chondrite ont le même âge, par le fait que les chondrites (donc la Terre) ont la composition chimique du Soleil (sauf pour les éléments volatils), par tout ce que l'on sait de la formation du système solaire. Alors, si, en première approximation on postule que terre globale = chondrite, on pourra calculer la composition du noyau en soustrayant l'équivalent du manteau à la composition d'une chondrite.

Pour plus détails visité Astronomie >>> et voir notre prochain blog sur les minéraux !!!

<<< Le Noyau           Retour à structure interne de la terre >>>

Le Noyau

Le Noyau

Noyau, manteau et Croûte

À la différence des caractéristiques physico-chimique de la croute et manteau (décrites précédemment), on ne connaît aucun échantillon de roche ayant pour origine le noyau ; il est donc impossible de parler de certains caractères chimiques tel la minéralogie pour le Noyau, contrairement au Manteau. Même si de récentes études montrent qu’ils existent des moyens pour étudier certaines caractéristiques chimiques du Noyau, mais de façon plus indirectes que celles du Manteau.

Les données montrent que le Noyau est une structure qui diffère à celle du manteau et de la croûte, le Noyau est d’environ 3500 km de diamètre, ce dernier est scinder en deux parties, Externe, d’un diamètre de 2160 km et Interne, nommée « graine », environ 1220 km de diamètre. Le Noyau représente 16% du volume total du globe et c’est dans cette partie de la planète qui est l’origine de la dynamique de la planète (Manteau et la croûte).

Le Noyau, Liquide

Même si, la majorité des structures de la planète restent plutôt solide (avec une viscosité qui reste élever), il apparait que le Noyau (la partie externe, contrairement à la graine qui est totalement solide) soit le seul qui a l’état liquide. Le Noyau est animé d’une rotation plus rapide que celle de la terre, lui permettant de tourner de 0,3° à 0,5° de plus chaque année. Cette rotation et les mouvements engendrés également par l’énergie nucléaire du noyau sont à l’origine du champ magnétique terrestre.

Ce schéma montre la structuration complète et simplifier de notre Planète, depuis la coûte vers son Noyau interne. @ La Terre - Comprendre notre planète.

Composition

La composition du Noyau est déterminée grâce à plusieurs méthodes indirectes ;

- Le moment d'inertie de la Terre, permet de contraindre le modèle de la Terre et de dire avec certitude qu'il y a quelque chose de lourd au centre de la Terre.

- La sismologie, indique que la Terre globale = croûte (1 %) + manteau (74 %) + noyau (25 %) = silicates (olivine et pyroxène, connus plus ou moins directement, 75 %, voir prochain blog sur les minéraux) + éléments lourds (inconnus directement, 25 %), bien séparés.

- Le magnétisme, (non abordé dans le blog) nous indique que l'intérieur de la terre doit contenir un fluide conducteur de l'électricité. Comme ce n'est pas le manteau (qui est isolant) cela ne peut être que le noyau, qui doit donc être métallique.

- Les travaux de Birch et d'autres dans les années 1950 ont montré que le fer représente la majorité du noyau terrestre (environ 80 %) avec une fraction mineure de nickel et quelques impuretés indéterminées mais plus légères.

<<< Le Manteau          La graine >>>

Les Propriétés du Noyau avec la sismologie

Les Propriétés du Noyau avec la sismologie

L’état fluide du Noyau

Pour une grande majorité de sismologues du début du siècle, le globe est entièrement solide et le noyau possède même une rigidité supérieure à celle de l'enveloppe. Si les ondes S traversant le noyau ne sont pas directement observées, c'est parce que la qualité des sismogrammes n'est pas encore suffisante pour les détecter mais leur existence n'est pas mise en doute !

Il fallait attendre 1926, où Jeffreys (1891-1989) prouve la fluidité du noyau métallique. Il ne s'appuie pas sur l'absence de transmission des ondes S (qui est aujourd'hui le critère habituel de la fluidité) mais sur un raisonnement indirect, en montrant que la rigidité déduite de la propagation des ondes dans l'enveloppe est supérieure à la rigidité déduite de l'étude de la déformation élastique de la Terre sous l'influence des marées. L'opinion de Jeffreys est rapidement adoptée par la communauté scientifique.

La Graine

Il a fallu attendre 1936, Inge Lehmann (1888-1993) qui découvre que le noyau liquide de la Terre contient une partie centrale distincte : la graine. La « zone d'ombre » entre 105 et 142° n'est pas entièrement vide mais on y observe l'arrivée d'ondes P, interprétées comme des ondes diffractées à la frontière du noyau.

Lehmann montre que ces ondes reçoivent une explication bien plus satisfaisante si l'on suppose qu'elles ont été réfléchies à la surface d'une partie centrale. L'interprétation est reçue avec enthousiasme et les dimensions de la graine sont fixées par Gutenberg en 1938 et par Jeffreys en 1939 entre 1200 et 1250 km (la détermination actuelle est de 1221 km).

Le trajet des ondes sismiques selon Gutenberg et Richter en 1939. On notera aussi l'évolution des conceptions depuis le schéma de Knott en 1908. @ Planète Terre-ENS DE LYON.

Birch affirme en 1940 que la graine est solide mais l'assertion n'est vraiment confirmée que dans les années 1960 par l'analyse des oscillations propres de la Terre. Les grandes structures de la Terre sont reconnues.

<<< Le premier vrai modèle et les discontinuités sismologiques          Retour à Structure Interne de la terre >>>

Le premier vrai modèle et les discontinuités sismologiques

Le premier vrai modèle et les discontinuités sismologiques

Le premier vrai modèle a été donné avec la découverte des ondes sismiques, à partir du début du XXème. La détection des ondes de cisaillement (qui ne se propagent pas dans les liquides, voir chapitre sismologie) montre que le globe se comporte comme un corps solide élastique, du moins dans toute sa partie supérieure. Les géologues doivent donc revoir leur copie et reprendre leurs explications des volcans et la formations des montagnes !

Oldham (1858-1936) construit en 1906 un premier modèle de Terre sismologique. Sur les courbes temps-distances qu'il vient de tracer, il remarque que les ondes S subissent un retard d'une dizaine de minutes pour des distances épicentrales supérieures à 120-130°. Il l'explique en disant que ces ondes traversent une région centrale où la vitesse est sensiblement inférieure à celle existant dans l'enveloppe extérieure et il pense ainsi mettre en évidence une discontinuité sismologique majeure vers 3800 km de profondeur.

 Les discontinuités

En 1909, Mohorovicic observe un accroissement des vitesses sismiques sous la Croatie à environ 54 km de profondeur. Cet accroissement est ensuite confirmé par d'autres sismologues dans différentes régions du monde ; il est interprété comme l'interface entre la croûte et le manteau.

En 1912, Gutenberg (1889-1960) repositionne la discontinuité d'Oldham vers 2900 km de profondeur (qui est la valeur adoptée de nos jours). Il observe que les ondes P émises par un séisme sont enregistrées normalement jusqu'à la distance épicentrale de 105°.

Entre 105 et 142°, les ondes P ne sont plus observées, puis à 142°, elles réapparaissent. C'est le phénomène de « zone d'ombre » que Gutenberg explique comme le résultat de la réfraction des ondes P à travers une discontinuité marquant une chute brutale de la vitesse des ondes. En 1923, il interprète cette discontinuité comme l'interface entre le noyau et l'enveloppe de Wiechert.

<<< Le Noyau          Les Propriétés du Noyau avec la sismologie >>>

Le Noyau

Le Noyau

Pour arrivé a expliqué l’intérieur du globe des recherches sont effectuées sur la répartition interne des densités. En s'appuyant sur l'observation des météorites, Édouard Albert Roche (1820-1883) présente en 1881 un modèle de Terre à deux couches : un noyau ferreux dont la densité est voisine de 7, recouvert d'une couche pierreuse de densité 3, dont l'épaisseur n'atteint pas 1/6 du rayon entier.

La densité de l'enveloppe est déterminée grâce aux relevés géologiques alors que la densité et la dimension du noyau sont déterminées par le calcul pour satisfaire deux conditions : la densité moyenne de la Terre égale à 5,5 et son aplatissement qui dépend de la répartition interne des densités.

En 1897, Emil Wiechert (1861-1928) propose un modèle semblable et en 1909, Eduard Suess (1831-1914) nomme le noyau nife (composé de fer et de nickel), l'enveloppe sima (essentiellement composé de silicium et de magnésium), et les continents, sial (essentiellement composée de silicium et d'aluminium). Les valeurs numériques retenues par Roche et Wiechert ne sont pas exactes : en sous-estimant l'influence de la compressibilité, ils obtiennent des valeurs de densités trop faibles et par compensation une dimension du noyau trop grande. Ces modèles sont toutefois cohérents et serviront de référence pour les premières interprétations des sismogrammes.

Modèle de Terre en densité calculé par Roche en 1881 (gauche) et Wiechert en 1897 (droite). @ Planète Terre-ENS DE LYON.

Ritter suppose en 1878 que la Terre est constituée d'un noyau de gaz et d'une croûte solide. Il observe en effet que la température à l'intérieur de la Terre doit dépasser la température critique des substances connues, température à partir de laquelle il n'y a plus de transition brutale entre le liquide et le gaz mais une transition continue. De plus le dégazage des volcans ne montre-t-il pas la présence de gaz à l'intérieur du globe ?

Gunther en 1884 appui les idées de Ritter et avance que la Terre est composée d'une croûte solide, d'une couche en fusion et d'un noyau de gaz. Le modèle devient populaire lorsqu'un scientifique de renom, Arrhenius (1859-1927), l'adopte en 1900. Il sera néanmoins éclipsé par le développement de la sismologie.

<<< Intérieure de la terre, Solide ou fluide          Le premier vrai modèle et les discontinuités sismologiques >>>

Intérieure de la terre, Solide ou fluide

Intérieure de la terre, Solide ou fluide

La majorité des géologues étaient en accord pour que la terre soit a l’intérieure fluide, mais certains ne partagés pas cet idée que la terre en gros fluide !

Certains, comme Davy (1778-1829), Ampère (1775-1836), Poisson (1781-1840) ou Lyell (1794-1875), prétendaient que la chaleur intérieure de la Terre ne provient pas d'une fusion originelle mais de réactions thermiques exothermiques, dues à l'oxydation des métaux alcalins.

Hopkins (1793-1866) remarque en 1839 que les affirmations de Cordier sur la fusion interne ne sont pas justifiées car la température de fusion des roches dépend de la pression. Si une roche fond à 1000°C en surface, il lui faut une température bien plus élevée pour entrer en fusion à 100 km de profondeur, où la pression est bien plus importante. Pour connaître l'état des roches internes, il faut donc savoir qui, de la température ou de la pression, a la plus grande influence, et seuls des expériences de laboratoire, impossibles à réaliser à l'époque, pourraient lever l'indétermination. Devant l'insuffisance et l'incertitude des données, Hopkins s'en tient à trois hypothèses remarquables.

a) si la température s'accroît suffisamment avec la profondeur pour dépasser l'influence de la pression, le globe est en fusion sous une croûte dont on ne peut pas connaître directement l'épaisseur.

b) si l'influence de la pression augmente plus rapidement que celle de la température, la solidification a commencé au centre, et comme en même temps le refroidissement créait une croûte en surface, le globe est formé d'une enveloppe solide, d'une couche intermédiaire en fusion et d'un noyau solide.

c) si le refroidissement est complet, le globe est entièrement solide.

Cette figure montre les trois hypothèses proposées par Hopkins. @ Planète Terre-ENS DE LYON.

Lord Kelvin (1824-1907), en 1862, défend avec vigueur une Terre entièrement solide. Il argumente que si la Terre était en fusion, la masse fluide interne devrait subir des marées importantes, exactement comme les océans de la surface. Ces marées internes devraient déformer intensément le sol, le soulever et l'abaisser alternativement, ce qui n'arrive pas.

Lord Kelvin observe cependant que les marées océaniques sont légèrement réduites par rapport aux prédictions théoriques. Ceci montre que la Terre se comporte comme un solide élastique, dont les propriétés sont sensiblement les mêmes que celles de l'acier. Le globe est donc solide et les seules parties en fusion sont les réservoirs de magmas sous les volcans. Il s'oppose donc énergiquement au modèle fluide défendu par les géologues.

Des les années 1870-1880, la controverse sur la fluidité intérieure de la Terre reste vive. Fischer cherche à réaliser un compromis en supposant que la Terre est composée d'une croûte solide d'une faible épaisseur, d'une couche intermédiaire fluide également de faible épaisseur, et d'un noyau solide. Ce modèle vérifie la condition de lord Kelvin d'un globe possédant en moyenne les propriétés élastiques de l'acier, tout en permettant de conserver les explications habituelles des phénomènes géologiques.

<<< Nouvelle vision de la terre          Le Noyau >>>

Nouvelle vision de la terre

Nouvelle vision de la terre

Aux alentours de 1800, la géologie prend son essor et la vision de la Terre se modifie encore. Les savants qui s'interrogent sur la Terre ne sont plus des philosophes mais des géologues de terrain.

Cordier (1777-1861), en poursuivant les travaux de Fourier (1768-1830), observe en 1827 que la température dans les mines augmente de 1 degré tous les 25 mètres de descente. Si la progression se poursuit, la température de l'eau bouillante est atteinte à 2,5 km de profondeur (ce qui est confirmé, le croît-on à l'époque, par les sources d'eau chaude) et dès 50 km de profondeur, on trouve une température de 1600°C, température à laquelle toutes les roches de la surface sont fondues.

La Terre en fusion selon Cordier. @ Planète Terre-ENS DE LYON.

Le globe serait donc constitué d'une énorme masse en fusion, recouvert d'une mince écorce solide ! L'idée est séduisante car elle permet d'expliquer les volcans, communications directes entre la surface et la masse fondue sous-jacente, les tremblements de terre qui sont des conséquences des mouvements internes du fluide, mais aussi la formation des montagnes (la Terre en se refroidissant se contracte, ce qui crée des ruptures et des plissements), donnant ainsi les premiers géologues fixistes.

 <<< Des modèles étonnants et les premières observations scientifiques          Intérieure de la terre, Solide ou fluide >>>

Des modèles étonnants et les premières observations scientifiques

Des modèles étonnants et les premières observations scientifiques

Les premiers modèles

D'autres modèles, qui peuvent paraître plus extravagants, sont proposés. En 1693, Halley (1656-1743), astronome contemporain de Newton, est intrigué par la variation temporelle du champ magnétique de la Terre observée au cours du siècle. Pour l'expliquer, il suppose que la Terre soit creuse et qu'elle contient un noyau aimanté en rotation libre.

Plus tard, il émet des propos plus audacieux : la Terre serait formée de trois arches (ou coquilles) et d'un noyau aimantés tournant avec des vitesses différentielles. Les dimensions des sphères internes correspondent aux rayons de Mercure, Mars et Vénus ! Les arches se tiennent en équilibre grâce à la force magnétique qu'elles génèrent et qui s'oppose à la gravitation. Elles sont supposées habitées et séparées les unes des autres par des milieux raréfiés.

Les trois arches et le noyau du modèle de Halley. @Planète Terre-ENS DE LYON.

En 1740, Moro (1667-1740), abbé à Venise, affirme que tous les reliefs ont une origine volcanique. Il a été impressionné par la surrection d'une île nouvelle dans l'archipel grec, près de Santorin et pense que les soulèvements de la croûte forment des cavités internes, soit remplies de substances ignées enflammées, soit moulées par un noyau igné déformable.

Les cavités enflammées ou le noyau igné selon Moro. @ Planète Terre-ENS DE LYON.

Les premières observations scientifiques

La panoplie des représentations du monde souterrain est impressionnante au milieu du XVIIIe siècle. Toutes sont judicieuses mais laquelle est juste ?

En 1749 puis en 1778, Buffon (1707-1787), intendant au Jardin du Roi, se propose de développer une théorie de la Terre qui repose sur des arguments solides, durement éprouvés, acceptables pour tous. Il affirme que la Terre est pleine, en s'appuyant sur la direction que prend un fil à plomb dans le voisinage d'une montagne. 

Aux stations A et B, les verticales (direction du fil à plomb) sont données par les lignes pleines alors qu'en l'absence de la montagne (qui possède une capacité d'attraction), elles seraient données par les lignes pointillées. Si la Terre est creuse, la montagne représente une masse importante par rapport à la masse totale de la Terre et la déviation doit être grande. Si au contraire la Terre est pleine, la montagne ne représente plus qu'une masse insignifiante et la déviation engendrée est très faible. C'est ce qui est observé. @ Planète Terre-ENS DE LYON.

Il avance également, en donnant trois arguments, que le globe a été entièrement fondu au début de son histoire :

- Le premier est la forme aplatie de la Terre qui n'a pu être acquise que si le globe a été à un moment de son histoire malléable, donc en fusion.

- Le deuxième est les mesures de température dans les mines qui montrent que la Terre possède une chaleur propre.

- Le troisième est la nature des roches des régions montagneuses qui sont le résultat d'une fusion.

<<< Les premières représentations des profondeurs           Nouvelle vision de la terre >>>

Les premières représentations des profondeurs

Les premières représentations des profondeurs

Avec la révolution astronomique de Nicolas Copernic (1473-1543), les idées des Anciens sur la Terre sont rejetées. Une nouvelle représentation émerge.

René Descartes (1596-1650), qui est philosophe, est le premier en 1644 à imaginer le monde souterrain. Pour lui, la Terre est un ancien Soleil qui a subi une évolution particulière. Au centre, on trouve un noyau de matière solaire, recouvert d'une couche compacte de la même matière que les taches solaires. Ensuite vient une couche de terre dense, une couche d'eau, une couche d'air et une nouvelle couche de terre plus légère qui se maintient au dessus du vide comme une voûte.

La Terre de Descartes est donc creuse ! La couche externe est toutefois en équilibre instable. Séchée par le Soleil, elle se fendille, et finit par s'écrouler d'une manière inégale dans les couches internes, expulsant l'eau qui forme les océans. Descartes décrit ainsi à la fois la genèse de la Terre et sa structure interne. Il raconte comment les montagnes se sont formées, par effondrement, lors d'une immense catastrophe planétaire originelle.

Cette image montre La formation de la Terre selon Descartes. @Planète Terre-ENS DE LYON.

Athanasius Kircher (1602-1680), un père jésuite, donne en 1665 la deuxième représentation de la Terre, tout à fait différente de celle de Descartes. Pour lui aussi le globe est un ancien Soleil refroidi, mais il cherche à expliquer les éruptions volcaniques. La Terre possède un foyer central impétueux, à peine dompté, relié aux volcans de la surface par des conduits de feu avec des réserves intermédiaires, les « pyrophylacies ». Les volcans manifestent l'activité interne du globe, ce sont des soupiraux par lesquels s'échappe le feu intérieur.

Cette image montre le monde souterrain de Kircher. @Planète Terre-ENS DE LYON.

Des modèles étonnants et les premières observations scientifiques >>>