Au cœur de la Terre : de la croûte au noyau

Au matin du 8 octobre 1909, un sismologue croate du nom d'Andrija Mohorovicic entra dans l'Observatoire météorologique de Zagreb et trouva les tambours de son sismographe couverts de la trace d'un tremblement de terre. Ce n'était pas un séisme de grande ampleur ; il avait frappé la région de Pokupsko, à une quarantaine de kilomètres au sud-est de la ville. Mais les zigzags sur son papier renfermaient quelque chose d'étrange. À certaines stations éloignées de l'épicentre, le même type d'onde sismique semblait arriver deux fois, une impulsion nettement plus rapide que l'autre, comme si un signal unique s'était scindé en deux et avait filé le long de chemins différents.

Mohorovicic passa le reste de cette année-là à en chercher la raison. La seule explication qui collait était qu'une partie des ondes avait plongé dans une couche de roche plus profonde et plus dense, y avait accéléré, puis avait refait surface devant ses cousines plus lentes qui avaient traversé le matériau moins profond au-dessus. Il avait, sans jamais soulever la moindre pelle, détecté une frontière à l'intérieur de la Terre. Cette frontière porte encore son nom, que les géologues, las de le prononcer, abrègent en Moho. Elle sépare la croûte du manteau, et sa découverte ouvrit un quart de siècle au cours duquel une poignée de scientifiques, ne lisant rien d'autre que les tremblements de séismes lointains, reconstituèrent l'architecture d'une planète qu'ils ne pourraient jamais voir.

Cet article parle de cette architecture, et du fait surprenant que nous la connaissions tout court. Le centre de la Terre se trouve à plus de 6 000 kilomètres sous vos pieds, plus chaud que la surface de bien des étoiles et écrasé sous des pressions qui défient l'intuition. Nous ne pouvons pas nous y rendre, et nous ne pouvons pas y forer. Alors comment en sommes-nous venus à parler avec tant d'assurance d'une croûte, d'un manteau, d'un noyau externe liquide et d'un noyau interne solide ?

Lire une planète à travers ses tremblements

Presque tout ce que nous savons de l'intérieur profond de la Terre vient non pas du forage, mais de l'écoute. Lorsqu'un grand séisme se déclenche, il envoie des ondes sismiques qui rayonnent dans toutes les directions, y compris droit vers le bas à travers le corps de la planète. Ces ondes se présentent sous deux grandes formes au comportement très différent, et cette différence est l'outil le plus puissant que la géophysique ait jamais possédé.

Les plus rapides des deux sont les ondes P, ou ondes primaires, qui compriment et étirent le matériau qu'elles traversent à la manière d'une onde sonore se propageant dans l'air. Fait crucial, les ondes P traversent aussi bien les solides que les liquides et les gaz. Les ondes S plus lentes, ou ondes secondaires, cisaillent le matériau latéralement, et un cisaillement latéral est précisément ce qu'un liquide ne peut tout simplement pas supporter. Les ondes S ne se propagent que dans les solides, s'arrêtant net devant toute couche liquide.

Cela donne aux sismologues un moyen de radiographier la planète. En plaçant des sismographes dans des stations à travers le globe et en enregistrant exactement à quel moment chaque type d'onde arrive, et de quelle direction, ils peuvent reconstituer les chemins empruntés par l'énergie. Là où les ondes accélèrent, la roche a forcément gagné en densité. Là où les ondes S disparaissent entièrement, il y a forcément du liquide. Là où les ondes se courbent brusquement, elles ont franchi une frontière entre deux matériaux. Le modèle de l'intérieur de la Terre fut assemblé à partir de ces temps d'arrivée, patiemment, au fil des décennies, à la manière d'un radiologue qui lit les ombres sur un cliché.

Les quatre couches, dessinées sur une seule page

Dessinée de l'extérieur vers l'intérieur, la Terre comporte quatre couches principales. Il y a une croûte mince et cassante à la surface ; sous elle, un manteau épais et presque entièrement solide qui s'écoule comme un mastic extrêmement rigide à l'échelle des temps géologiques ; en dessous, un noyau externe liquide de fer et de nickel ; et au cœur même, un noyau interne solide, lui aussi de fer et de nickel, figé par la pression bien qu'il soit brûlant. Voilà la coupe transversale standard imprimée dans tous les manuels de géographie et de géologie, et chacune de ses frontières fut découverte en lisant les ondes sismiques.

Les proportions ont de quoi rendre humble. La croûte, la seule partie que nous ayons jamais touchée, est de loin la pellicule la plus fine, et presque toute la masse de la planète repose dans le manteau et le noyau en dessous. Comprendre la Terre revient, au sens propre, à comprendre un lieu qu'aucun de nous n'atteindra jamais.

Une croûte de deux sortes : océan et continent

La croûte n'est pas une enveloppe uniforme. Elle se divise nettement en deux types distincts, et la différence entre eux gouverne le trait le plus fondamental du visage de notre planète, à savoir l'emplacement des mers et celui des terres qui s'élèvent.

La croûte océanique est mince, généralement seulement d'environ cinq à dix kilomètres d'épaisseur, et elle est dense, sombre et de composition chimique basaltique, la même famille de roche que l'on trouverait dans une coulée de lave hawaïenne. Elle est aussi géologiquement jeune, car le plancher océanique est sans cesse créé au niveau des dorsales médio-océaniques puis recyclé dans le manteau. La croûte continentale, à l'inverse, est épaisse, souvent de trente à quarante kilomètres et bien davantage sous les chaînes de montagnes, et elle est plus légère et de composition largement granitique. Elle est aussi ancienne, certains morceaux remontant à des milliards d'années. Comme la croûte continentale est moins dense, elle flotte plus haut sur le manteau, telle un radeau épais voguant au-dessus des plaques océaniques plus fines et plus lourdes, et ce simple contraste de densité explique pourquoi les continents s'élèvent au-dessus du niveau de la mer tandis que les bassins océaniques se trouvent en dessous.

Le manteau et la couche molle sous les plaques

Sous le Moho se trouve le manteau, une enveloppe de roche silicatée d'environ 2 900 kilomètres d'épaisseur. C'est le géant de la structure terrestre, représentant quelque chose comme 84 pour cent du volume total de la planète. Presque tout ce que nous appelons négligemment « la Terre » est, en volume, du manteau.

Ici, nous devons affronter l'idée fausse la plus tenace de toute la géologie, la croyance selon laquelle le manteau serait une mer de lave en fusion. Il n'en est rien. Le manteau est très majoritairement de la roche solide. Il est extraordinairement chaud, certes, et au fil de millions d'années il peut s'écouler et se brasser en lents courants de convection, se déformant de manière plastique comme le ferait un glacier ou un bloc de goudron froid si l'on patiente assez longtemps. Mais à toute échelle de temps humaine, il se comporte comme un solide rigide. Ce n'est que dans des poches spécifiques et limitées, surtout près de la surface où la pression chute, que la roche du manteau fond pour produire le magma qui alimente les volcans. La lave incandescente que nous voyons en surface est l'exception, non la règle, de ce qui se trouve en dessous.

Au sein du manteau supérieur existe une distinction mécanique importante. La portion supérieure du manteau, froide et rigide, se comporte mécaniquement comme une seule pièce avec la croûte au-dessus d'elle, formant une enveloppe raide. Sous celle-ci se trouve l'asthénosphère, une couche de roche du manteau plus chaude et plus faible, suffisamment proche de son point de fusion pour être molle et se déformer lentement. C'est la surface lubrifiée sur laquelle l'enveloppe rigide au-dessus peut glisser, et cette distinction, couvercle rigide sur couche molle, se révèle être la clé de la tectonique des plaques.

La frontière de Gutenberg et un noyau de fer liquide

En 1914, le sismologue germano-américain Beno Gutenberg cerna la plus spectaculaire de toutes les frontières internes, à une profondeur d'environ 2 900 kilomètres, là où le manteau s'achève et où le noyau commence. La preuve était frappante. Au-delà d'un certain angle par rapport à tout grand séisme, les ondes S ne parvenaient tout simplement pas à apparaître, et les ondes P étaient fortement courbées et arrivaient en retard. La disparition des ondes S fut l'argument décisif, car elles ne peuvent traverser le liquide. Le manteau reposait sur quelque chose de fondu.

Ce quelque chose est le noyau externe, une enveloppe de fer et de nickel liquides d'environ 2 200 kilomètres d'épaisseur, à des températures de l'ordre de 4 000 à 5 500 degrés Celsius. Ce n'est pas un océan de métal immobile, mais agité, brassé par la chaleur qui s'échappe d'en dessous en grands tourbillons de convection. Ces tourbillons de métal liquide électriquement conducteur agissent comme une dynamo auto-entretenue, et ils engendrent le champ magnétique terrestre, le bouclier invisible qui dévie une grande partie du vent solaire et permet à l'aiguille d'une boussole de pointer vers le nord. Le champ qui guide les navires et protège l'atmosphère est, en définitive, le produit du fer en fusion qui clapote des milliers de kilomètres sous le plancher océanique.

Inge Lehmann et le cœur solide caché

Pendant deux décennies après Gutenberg, on pensait que le noyau était entièrement liquide. Puis, en 1936, la sismologue danoise Inge Lehmann publia un article au titre sobre et désormais célèbre, P' (prononcé « P prime »). Elle s'y attaquait à une énigme. Il existe une région sur le globe, opposée à un séisme donné, appelée zone d'ombre, où le noyau externe liquide courbe si fortement les ondes P qu'elles ne devraient pas arriver du tout. Pourtant, de faibles ondes P y apparaissaient malgré tout, là où la théorie disait que la surface devait rester silencieuse.

L'explication de Lehmann était élégante. Si, au plus profond du noyau externe liquide, se trouvait un noyau interne solide plus petit et plus dense, alors certaines ondes P le heurteraient, se réfléchiraient et se réfracteraient sur sa surface, et seraient redirigées vers la zone d'ombre où aucune onde directe ne pouvait parvenir. Les signaux ténus étaient les échos d'une boule cachée de métal solide au centre de la planète. Son interprétation fut confirmée par le sismologue Keith Bullen en 1940, et le modèle à quatre couches était complet. Le noyau interne est solide non pas parce qu'il est froid, car il est peut-être plus chaud que la couche liquide qui l'entoure, mais parce que la pression au centre de la Terre est si immense qu'elle force le fer à se figer malgré la chaleur.

À quel point c'est chaud, à quel point c'est profond, et pourquoi nous ne pouvons pas simplement y forer

L'intérieur de la Terre devient brutalement plus chaud avec la profondeur, mais pas selon une simple ligne droite. Près de la surface, la température grimpe selon le gradient géothermique, environ 25 à 30 degrés Celsius par kilomètre de descente. Si ce rythme se maintenait jusqu'au bout, le centre serait d'une chaleur impossible, des dizaines de milliers de degrés. Il ne se maintient pas. Le gradient s'aplatit considérablement avec la profondeur, si bien que le centre même de la Terre avoisine les 5 200 degrés Celsius, comparable à la surface du Soleil, plutôt que les chiffres absurdes que prédirait un gradient constant. La pression, quant à elle, augmente sans relâche tout au long de la descente, atteignant des millions de fois la pression atmosphérique au niveau du noyau, ce qui est précisément ce qui permet au noyau interne brûlant de rester solide.

Devant toute cette déduction à distance, on pourrait se demander pourquoi nous ne forons pas tout simplement pour aller voir. La réponse honnête est que nous avons essayé, et à peine effleuré la surface. Le trou le plus profond jamais creusé dans la planète est le forage superprofond de Kola, sur la péninsule de Kola en Russie, qui avait atteint 12 262 mètres en 1989, soit un peu plus de douze kilomètres. C'est un authentique triomphe d'ingénierie, et pourtant cela représente moins de 0,2 pour cent de la distance jusqu'au centre, et la roche devint si chaude et si plastique que le projet s'arrêta net. Le forage, en fin de compte, n'est pas la manière dont nous apprenons à connaître l'intérieur de la Terre, et ce ne le sera jamais. La sismologie, si.

L'enveloppe qui se brisera en plaques

Une dernière pièce relie l'ensemble de la structure et annonce le prochain chapitre de l'histoire. Nous avons parlé de la croûte et du sommet rigide du manteau se comportant comme une seule unité mécanique. Cette enveloppe combinée porte un nom. C'est la lithosphère, la couche externe froide, cassante et rigide de la Terre, faite de la croûte et de la partie supérieure du manteau, reposant sur l'asthénosphère molle en dessous.

La lithosphère importe parce que c'est elle, et non la croûte seule, qui est fracturée en grandes plaques tectoniques dont les lentes collisions et séparations bâtissent les montagnes, ouvrent les océans et déclenchent les séismes. Le petit séisme croate de Mohorovicic en 1909, et chaque séisme depuis, est en définitive un signal émis par cette enveloppe agitée en mouvement. Les mêmes ondes qui révélèrent les couches de la planète sont la planète qui nous dit que sa surface est vivante.

À retenir

La Terre est constituée de quatre couches emboîtées, de l'extérieur vers l'intérieur : une croûte mince et cassante divisée entre un basalte océanique jeune et dense et un granite continental ancien et épais ; un vaste manteau solide de roche silicatée qui représente environ 84 pour cent du volume de la planète et s'écoule de manière plastique à l'échelle des temps géologiques sans être de la lave en fusion ; un noyau externe liquide de fer et de nickel dont le métal en convection engendre le champ magnétique ; et un noyau interne solide de fer et de nickel, figé par une pression écrasante même à quelque 5 200 degrés Celsius. Nous savons tout cela non pas grâce au forage, qui n'a jamais atteint ne serait-ce que 0,2 pour cent de la distance vers le bas, mais grâce aux ondes sismiques, en exploitant le fait que les ondes P traversent à la fois les solides et les liquides tandis que les ondes S s'arrêtent au liquide. Le tableau à quatre couches fut assemblé presque entièrement en lisant les tremblements de terre, de la frontière croûte-manteau de Mohorovicic en 1909, au noyau externe liquide de Gutenberg en 1914, jusqu'au noyau interne solide de Lehmann en 1936. Et l'enveloppe externe rigide faite de la croûte et de la partie supérieure du manteau, la lithosphère, est la pièce que la prochaine partie de l'histoire brise en plaques tectoniques mouvantes.