PERCER A CROÛTE

Pour savoir ce qui se cache sous nos pieds, il suffit de creuser ! La descente vers les profondeurs va donc commencer par un long forage dont le but est de percer la croûte. La croûte ? En effet, l'activité géologique de la Terre nous donne déjà une idée de ce qui nous attend : les volcans et les séismes causés par les mouvements des plaques nous montrent que le sol sur lequel nous vivons n'est qu'une croûte qui se déplace sur autre chose. Cet autre chose, c'est le manteau. On devrait le trouver sous 8 km de roches solides sous les océans et sous 45 kilomètres d'épaisseur sous les continents. Atteindre ce manteau, c'est le graal des géophysiciens.

Un dixième de millimètre à la surface d'une orange

Il y a 40 ans, en URSS, dans la péninsule de Kola, naît le projet du trou le plus profond au monde, le Kola Super Deep BoreHole. L'objectif est de descendre à 15 km sous nos pieds pour découvrir de quoi est constituée la couche séparant le manteau supérieur de la croûte terrestre. "Le projet doit avorter à 12,262 km, en 1989 : les températures sont trop élevées pour poursuivre le forage" Malheureusement, le projet doit avorter à 12,262 km, en 1989. Les températures sont trop élevées pour poursuivre le forage : alors que la température devait être de l'ordre de 100 °C d'après les estimations, elle atteint plus de 180° C. La couche en question n'est plus vraiment solide, mais présente déjà des propriétés plastiques. Un groupe allemand tentera de réitérer l'expérience à Windischeschenbach, dans le Haut-Palatinat : elle parviendra à 9,1 km en 1994. Aujourd'hui, d'autres essais sont prévus au niveau du fond des océans où la croûte terrestre est plus fine. L'expédition japonaise Chikyu espère atteindre 7 km sous la croûte océanique d'ici fin 2007 et peut-être plus tard, descendre jusqu'au manteau. Ce serait un exploit mais l'équivalent d'une piqûre d'un dixième de millimètre à la surface d'une orange à l'échelle de la planète

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DURE DESCENTE

Autant dire que l'on ne connaît directement que l'épiderme de la Terre, sa couche la plus superficielle Pourquoi le voyage au centre de la Terre ne se déroule-t-il pas comme dans le roman de Jules Verne ? Ce livre raconte comment Lidenbrock et ses acolytes descendent dans la cheminée du volcan islandais Sneffels, éteint, pour pénétrer jusqu'au centre de la Terre.

Voyage humain impossible

Pure fiction ! En physique les choses ne sont pas aussi simples qu'elles le paraissent. La plupart du temps, les cheminées de volcans éteints sont obstruées. Il faut donc creuser un trou très profond : l'idée est bonne sur le papier mais en pratique, ça se corse. On l'a vu, les forages ne dépassent pas 12 km... alors de là à y envoyer des hommes ! Le voyage en profondeur implique de traverser une forte densité de matière. L'énergie requise pour parcourir un kilomètre vers le bas, en faisant fondre les roches sur le passage, est un milliard de fois plus importante que celle nécessaire pour s'élever vers le haut de la même distance ! Eh oui, il est plus facile d'aller dans l'espace que sous Terre. "Il est plus facile d'aller dans l'espace que de descendre sous Terre" Une grande densité est indispensable pour s'enfoncer sous l'effet de la gravité car il faut contrer la poussée d'Archimède exercée par la matière environnante. Dans ce cas, pas besoin de propulsion pour la descente. Il faut aussi résister à d'énormes contraintes : près du centre de la Terre, la pression est plusieurs milliers de fois supérieures à celle qui règne au fond des fosses océaniques et des millions de fois supérieures à la pression atmosphérique. Sans parler des températures : plus on descend, et plus il fait chaud. Il fait déjà 300 °C à 15 km de profondeur. Plus bas, beaucoup plus bas, il règne presque la même température qu'à la surface du Soleil !

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L'IDEE DE STEVENSON

Peut-on quand même espérer explorer l'intérieur de la Terre ? Selon le géophysicien néo-zélandais David Stevenson, oui : grâce à son projet de sonde lancée vers le centre de la Terre. Le principe ? L'inverse d'une éruption volcanique. Dans ce cas, la lave en fusion remonte dans les fissures car elle est moins dense que le milieu environnant. Dans l'idée de Stevenson, on injecterait du fer fondu, qui, plus dense que la croûte, descendrait "tout seul", aidé par la gravité.

Précieuse sonde de diamant

David Stevenson propose donc de créer une fissure dans l'écorce terrestre et d'y faire couler 100 000 tonnes de fer fondu. Le chercheur suggère d'installer un immense bassin de fer liquide au-dessus d'une fracture de la croûte terrestre puis de déclencher une explosion géante. Au centre de la coulée de fer, on placerait une sonde de la taille d'un gros pamplemousse faite d'un alliage très dur et de semi-conducteurs en diamant. Car seul le diamant peut supporter des conditions aussi extrêmes. Peu à peu, en une semaine, avec sa densité très grande, supérieure à celle de la croûte de la Terre, le fer tomberait vers le centre de la Terre en prolongeant la fissure initiale, la gravité faisant l'essentiel du travail. "On utiliserait une sonde faite d'un alliage très dur et de semi-conducteurs en diamant. Seul le diamant peut supporter des conditions aussi extrêmes" Durant la descente, la sonde émettrait sans arrêt des ondes acoustiques, les seules utilisables dans ce cas : en effet, la matière terrestre est opaque au rayonnement électromagnétique, donc aux ondes radio. Un émetteur d'ondes sonores, serait donc aussi embarqué dans la sonde pour que celle-ci puisse être capable d'effectuer des mesures et de les transmettre à la surface. Le coût du projet de David Stevenson se compare aux grands budgets de la NASA comme ceux le télescope Hubble ou les robots martiens. Et fait sourire. "Je m'attends à ce que 95% de mes collègues rient de moi. Mais ça m'est égal, et je suis très heureux de pouvoir les amuser. J'espère que le 5% des autres lecteurs, en plus de s'amuser, vont réfléchir sérieusement sur la viabilité de mon projet", espère le chercheur.

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CE QUE DISENT LES SEISMES

Pour l'instant, donc, difficile de compter sur des mesures directes : le voyage au centre de la Terre est impossible. Du moins en pratique. Car les séismes nous permettent de faire quand même le voyage, sans quitter la surface.

Les séismes ? oui. Quand une secousse se produit, des ondes se propagent dans la Terre. Or, elles ne se déplacent pas à la même vitesse selon les couches qu'elles traversent ou sur lesquelles elles se réfléchissent. Il suffit donc, à partir d'un tremblement de Terre, de mesurer ses échos un peu partout à la surface la planète. En fonction du temps mis par les ondes et de leur atténuation pour aller d'un point à un autre, les scientifiques en déduisent des tas de choses sur les propriétés du cœur de notre planète.

Astucieux, les géophysiciens ont réussi à construire une représentation de l'intérieur de la Terre grâce à ces ondes sismiques qui se propagent dans la Terre et à sa surface !

Ondes S, ondes P

Quelles ondes ? On utilise les ondes P ou ondes de compression. Rapides, 6 km/s près de la surface, elles sont enregistrées en premier sur un sismogramme. On se sert également des ondes S appelées aussi ondes de cisaillement. Celles-ci ont la propriété de ne pas se propager dans les milieux liquides. Leur vitesse est plus lente que celle des ondes P, elles apparaissent en second sur les sismogrammes.Les ondes S sont en particulier arrêtées par le noyau de la Terre.

"Le temps de parcours des ondes dépend de ce trajet, elles n'arrivent pas toutes en même temps au même endroit " Ces ondes se propagent un peu comme les rayons lumineux : elles peuvent être réfléchies ou réfractées, à chaque changement de milieu, au passage manteau-noyau par exemple. Elles peuvent ainsi suivre des trajets très complexes à l'intérieur de la Terre. Leur temps de parcours dépend de ce trajet. Parties d'un même point (l'épicentre du séisme), elles n'arrivent pas toutes en même temps au même endroit. La technique chargée de l'étude de ces anomalies est la tomographie sismique.

Par exemple, il existe des zones où l'on observe des modifications brutales de la vitesse de propagation des ondes sismiques, ces zones correspondent à des changements de milieu. On les nomme discontinuités. Elles délimitent les différentes grandes enveloppes de la Terre : la croûte, le manteau, et le noyau, lui même contenant une graine solide.

Les ondes sismiques sont comparées à des rayons lumineux dont la vitesse, la rélexion et la réfraction dépendent des milieux traversés. Les ondes S sont, par exemple, arrêtées par le noyau de la Terre. En combinant les relevés de plusieurs séismes, à différents endroits de la Terre, on peut déduire la structure interne de celle-ci. Cette technique, la tomographie sismique, permet de reconstituer une image en 3D de l'intérieur de la Terre.

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CHAUD LE MANTEAU

Continuons notre descente dans les profondeurs, grâce aux données fournies par les ondes sismiques. Sous la croûte, à 7 km sous les océans, à 60 km sous les continents, les ondes sismiques S sont brutalement déviées : le milieu change. De la croûte, nous atteignons le manteau. Le manteau est une couche intermédiaire entre le noyau planétaire et la croûte terrestre dont il est séparé de la croûte par la discontinuité de Mohorovicic (terme fréquemment abrégé en moho). Il représente un peu plus de 80 % du volume de la Terre. Des informations directes sur la nature du manteau sont fournies par l'étude de fragments remontés par certaines laves lors de leur remontée vers la surface, ou parfois dans les chaînes de montagne au cours des collisions de continents.

Solide, bouillant et comprimé

"Le manteau représente un peu plus de 80 % du volume de la Terre" Contrairement à une idée souvent répandue, le manteau n'est pas constitué de roche liquide mais solide, principalement des silicates de magnésium et de fer. Sa partie supérieure est composée de roche rigide, dure et froide. Associée à la croûte, cette partie du manteau constitue la lithosphère. Au fur et à mesure de la descente, la température et la pression augmentent. Le manteau, rigide dans la lithosphère, se transforme sous l'effet de la pression et de la température, en un manteau plus déformable dans une seconde partie nommée l'asthénosphère. Cette discontinuité, nommée "low velocity zone", est visible également par les ondes sismiques : les ondes P et S sont ralenties et atténuée. Cette low velocity zone se trouve à l'isotherme où l'olivine, un minéral dominant dans le manteau, atteint son point de fusion : aux alentours de 1600 °C et 25 giga Pascal soit 250 000 atmosphères. Cette profondeur varie de quasiment 0 km au niveau des dorsales océaniques, à plus de 670 km sous les vieux continents. Le manteau descend jusqu'à la limite entre le noyau et le manteau, à environ 2 880 kilomètres de profondeur. Là apparaît une autre discontinuité, celle de Gutenberg.

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L'Origine des volcans

Dans les conditions normales, le manteau terrestre est à l'état solide. Dans certaines conditions de pression et de température, de petites zones de ce manteau fondent et remontent dans des chenaux vers la surface pour donner naissance à des volcans. Ces conditions sont rencontrées dans trois environnements : au niveau des dorsales océaniques, la zone de production des fonds océaniques au niveau des zones de subduction, un mécanisme important de production de la croûte continentale; au niveau d'un volcanisme de point chaud dit intra plaque dont les exemples les plus connus sont les îles d’Hawaï et de Polynésie. Généré à plus grande profondeur, il prendrait naissance à l'interface entre le noyau et le manteau inférieur. Témoins des processus les plus profonds, l’étude des laves intra-plaques revêt donc une grande importance.

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A SUIVRE