La structure interne de la Terre

Personne n’a jamais vu l’intérieur de la Terre : le forage le plus profond, celui de Kola en Russie, n’a atteint que 12,26 km, à peine 0,2 % du rayon terrestre. Pourtant, on connaît sa structure avec précision grâce à l’étude des ondes sismiques, qui traversent la planète et changent de vitesse et de direction selon les matériaux rencontrés. La Terre, d’un rayon moyen de 6 371 km, s’organise en couches de plus en plus denses vers le centre.

Les couches de la Terre en un tableau

La température au centre de la Terre est comparable à celle de la surface du Soleil. Si le noyau interne reste solide malgré cette chaleur, c’est à cause de la pression colossale, plus de 3,5 millions de fois la pression atmosphérique.

La croûte terrestre

La croûte est la couche la plus mince : rapportée à la taille de la Terre, elle est plus fine que la peau d’une pomme. On distingue :

• la croûte continentale, épaisse, légère (densité environ 2,7) et ancienne : certaines roches du Canada dépassent 4 milliards d’années ;
• la croûte océanique, mince, plus dense (environ 3,0) et jeune : elle ne dépasse pas environ 180 à 200 millions d’années, car elle est sans cesse recyclée dans le manteau (voir tectonique des plaques).

Les éléments les plus abondants de la croûte sont l’oxygène (environ 46 % en masse), le silicium (28 %), l’aluminium (8 %) et le fer (5 %), associés dans les minéraux des roches.

Le manteau

Le manteau représente environ 84 % du volume de la Terre. Il est solide, mais à l’échelle des millions d’années il se comporte comme une pâte très visqueuse : il est animé de lents mouvements de convection, de quelques centimètres par an, qui évacuent la chaleur interne et entraînent les plaques tectoniques.

Une distinction importante ne recoupe pas exactement celle entre croûte et manteau :

• la lithosphère (croûte + partie supérieure rigide du manteau), épaisse d’environ 100 km en moyenne, est découpée en plaques ;
• l'asthénosphère, en dessous, est plus chaude et plus ductile ; elle permet aux plaques de glisser.

Le manteau n’est pas une mer de magma, contrairement à une idée reçue : seules de petites zones fondent partiellement, sous les dorsales, les zones de subduction et les points chauds, alimentant les volcans.

Le noyau

Le noyau, de la taille de Mars environ (rayon d’environ 3 480 km), contient près d’un tiers de la masse de la Terre. Il est composé majoritairement de fer, avec du nickel et une petite proportion d’éléments légers (soufre, oxygène, silicium…).

Les mouvements du fer liquide du noyau externe, conducteur d’électricité, produisent le champ magnétique terrestre par effet dynamo. Ce champ protège la Terre du vent solaire et des particules cosmiques ; il oriente les boussoles et s’inverse irrégulièrement au cours des temps géologiques (la dernière inversion remonte à environ 780 000 ans).

La graine, ou noyau interne, grossit lentement à mesure que la Terre se refroidit et que le fer cristallise.

Comment connaît-on l’intérieur de la Terre ?

Lors d’un séisme, deux grands types d’ondes traversent le globe :

• les ondes P (primaires), de compression, qui traversent solides et liquides ;
• les ondes S (secondaires), de cisaillement, qui ne traversent pas les liquides.

En mesurant leurs temps d’arrivée dans des stations du monde entier, les sismologues ont repéré des surfaces où leur vitesse change brusquement, appelées discontinuités :

L’existence d’une zone d’ombre où les ondes S n’arrivent jamais a prouvé que le noyau externe est liquide. La sismologue danoise Inge Lehmann a déduit des faibles ondes P parvenant dans cette zone l’existence d’un noyau interne solide.

D’autres indices complètent ces données : la densité moyenne de la Terre (5,5), bien supérieure à celle des roches de surface (environ 2,7), montre qu’un matériau lourd se trouve au centre ; les météorites de fer et les roches du manteau remontées par les volcans renseignent sur la composition ; les expériences en laboratoire reproduisent les pressions et températures profondes.

D’où vient la chaleur interne ?

La Terre perd en permanence de la chaleur par sa surface (environ 47 térawatts, soit plus de deux fois la consommation énergétique mondiale). Cette chaleur a deux origines principales :

• la chaleur primitive, héritée de la formation de la planète, il y a environ 4,5 milliards d’années, par accumulation de matière et collisions, et de la séparation du fer qui a migré vers le centre ;
• la désintégration radioactive d’éléments présents dans les roches (uranium, thorium, potassium 40).

Cette chaleur fait fonctionner la tectonique des plaques, le volcanisme et la dynamo du noyau. Elle est exploitée localement par la géothermie (voir énergies renouvelables).

Questions fréquentes

Quelle est l’épaisseur de la croûte terrestre ?

De 5 à 10 km sous les océans, et en moyenne environ 35 km sous les continents, jusqu’à 70 km sous les grandes chaînes de montagnes comme l’Himalaya ou les Andes.

Le centre de la Terre est-il liquide ?

Non. Le noyau externe est liquide, mais le noyau interne, au centre, est solide en raison de la pression extrême. Le manteau, lui aussi, est solide, malgré l’image courante d’un intérieur de lave en fusion.

Pourquoi fait-il plus chaud en profondeur ?

Dans la croûte continentale, la température augmente en moyenne d’environ 30 °C par kilomètre : c’est le gradient géothermique. Il s’explique par la chaleur qui remonte de l’intérieur de la Terre vers la surface.

Peut-on creuser jusqu’au centre de la Terre ?

Non. Le forage de Kola, le plus profond jamais réalisé, a été arrêté à 12,26 km en 1989 parce que la température (environ 180 °C) et la déformation des roches rendaient l’avancée impossible. Le centre est à 6 371 km.