La structure du globe terrestre : cours de 1re SVT

Quand tu regardes un globe terrestre, tu vois la surface : continents, océans, pôles. Mais que se passe-t-il sous tes pieds, à plusieurs milliers de kilomètres de profondeur ? Personne n'y est jamais descendu, et pourtant les scientifiques décrivent avec précision l'intérieur de la planète. Ce chapitre te montre comment ils y arrivent.

Pour le programme de première en Sciences de la vie et de la Terre, l'enjeu est de comprendre de quelle façon l'étude rigoureuse de données a permis d'établir ce que l'on sait aujourd'hui de l'organisation interne de la planète ¹. L'objectif plus large de cette partie du programme est que tu t'appropries un modèle global de la dynamique interne de la Terre ¹. La structure du globe en est la première brique : sans savoir de quoi la Terre est faite en profondeur, impossible de comprendre ensuite la tectonique des plaques, les dorsales ou les zones de subduction.

En 1864, Jules Verne publie Voyage au centre de la Terre. À cette époque, la dynamique terrestre est encore incomprise ⁴. Il faudra environ un siècle et demi aux géosciences pour révéler la structure interne du globe ⁴.

Au XIXe siècle, les naturalistes qui s'intéressent à ces questions se heurtent à un obstacle matériel : comment explorer l'intérieur du globe ? ⁴ Ils ne peuvent pas y envoyer d'expédition, ils ne peuvent pas non plus prélever d'échantillons profonds. Toute la suite de l'histoire des sciences de la Terre vient de cette contrainte : on doit raisonner sans voir.

Les premières informations viennent des mines. Les mineurs y rencontrent une grande variété de terrains, bien plus variée que celle qu'explorent les spéléologues dans les roches sédimentaires, et ces terrains sont aussi plus anciens ⁵. Ils y constatent un phénomène frappant : il fait de plus en plus chaud quand on descend ⁵.

Mais ces ouvrages restent superficiels. Même les mines les plus profondes du monde, comme Tau Tona en Afrique du Sud (environ 3 500 m en 2002), ne font qu'effleurer l'écorce terrestre ⁵. Les forages scientifiques ont confirmé la structure et la composition de la croûte, ou permis de tracer des profils sismiques régionaux, mais ils ne la dépassent pas ⁵. À l'échelle de la planète, la croûte ne représente même pas la peau d'une orange ⁵.

Au XIXe siècle, on mesure dans les mines une hausse régulière de la température avec la profondeur : environ 1 °C pour 25 mètres ⁵. Joseph Fourier et Louis Cordier prolongent cette observation et concluent que le cœur de la planète est fondu, porté à plusieurs milliers de degrés ⁵.

Ce raisonnement est une extrapolation : on prolonge, bien au-delà du domaine mesuré, une tendance observée sur quelques kilomètres au plus. Il est naturel, il a influencé les hypothèses d'un globe au cœur en fusion dès le XVIIIe siècle ⁵, mais il demande à être vérifié par d'autres données. Les sources précisent d'ailleurs que l'origine de cette chaleur restait incertaine : reste de la chaleur originelle d'une Terre qui se refroidit, ou phénomènes physiques ou chimiques qui dégagent de la chaleur ⁵.

Comme l'exploration directe est impossible, la sismologie prend le relais. Elle permet de représenter et de décrire l'intérieur du globe avec une finesse croissante. On y distingue d'abord la croûte, en surface, puis le manteau, dont on découvre qu'il est solide alors qu'on le croyait liquide. Au centre, c'est la sismologie, et non un voyage d'explorateurs, qui finit par révéler le noyau ⁴.

Tous les types d'ondes ne servent pas à la même chose. Les ondes de volume parcourent la matière dans toutes les directions et traversent donc le globe ; ce sont elles qu'étudie la tomographie sismique ⁵. Les ondes de surface, qui causent les dégâts aux constructions, restent près de la surface (croûte et sommet du manteau) : elles ne renseignent pas sur le manteau profond ni sur le noyau ⁵.

Il existe deux grands types d'ondes de volume : les ondes P, qui traversent solides et liquides, et les ondes S, plus lentes, qui ne traversent que les solides. Comme les ondes S ne traversent pas le noyau externe, on en déduit qu'il est liquide. Pour décrire le trajet d'une onde de volume, les sismologues la nomment par une suite de lettres. Les sources donnent des exemples :

• une onde PP est une onde P qui rebondit une fois sur la surface du globe, séjourne dans le manteau, puis remonte jusqu'à la station qui l'enregistre ⁵ ;
• une onde PKP est une onde P dont le trajet va du manteau au noyau externe liquide, puis revient par le manteau jusqu'à la surface ⁵ ;
• une onde PKIKPPKIKP est une onde quasi verticale qui traverse le globe de part en part, rebondit à la surface, repasse par le noyau et la graine à l'aller et au retour, puis réapparaît en surface ⁵.

Un document du CNRS présente une coupe éclatée du globe qui met en évidence ses principales couches internes ³. Dans l'ordre depuis la surface, les sources permettent de retenir :

• la croûte, à la surface, seule enveloppe directement accessible par mines et forages ⁵ : croûte continentale surtout granitique (environ 30 km d'épaisseur en moyenne), croûte océanique basaltique et gabbroïque (environ 7 km) ; sa limite inférieure est la discontinuité de Mohorovičić (Moho) ;
• le manteau, solide et non liquide ⁴, formé de péridotite, qui s'étend du Moho jusqu'à environ 2 900 km de profondeur, où la discontinuité de Gutenberg le sépare du noyau ;
• le noyau, au centre, formé d'un noyau externe liquide ⁵ entourant une partie centrale solide, la graine, que traversent certaines ondes ⁵ ; la limite entre les deux, vers 5 150 km, est la discontinuité de Lehmann.

On distingue aussi, selon le comportement mécanique, la lithosphère rigide (croûte et sommet du manteau, environ 100 km d'épaisseur) qui repose sur l'asthénosphère, partie du manteau plus ductile.

Les roches du manteau conservent leur structure cristalline : elles sont donc à l'état solide ⁵. En profondeur, la hausse de pression pèse davantage que la hausse de température, et c'est ce qui garde la matière à l'état solide ⁵.

Pourtant, ce manteau se comporte comme un matériau visqueux. Sa viscosité est comparable à celle de la glace des glaciers, qui s'écoule lentement ⁵. Ce comportement visqueux permet des mouvements de convection ⁵.

Les sources évoquent un volcanisme dit de point chaud, le plus profond des volcanismes actifs. Le magma viendrait de la base du manteau, tout près de la frontière avec le noyau liquide ⁵. Ces volcans ne seraient pas liés aux plaques tectoniques : ne suivant pas les mouvements de l'écorce, ils seraient quasiment immobiles à la surface du globe et formeraient des archipels comme Tahiti ou Hawaï ⁵.

Retiens la formulation prudente (« il s'agirait de », « ils seraient ») : c'est un modèle explicatif, pas un fait observé directement. Ce type de nuance est attendu dans une copie.

Le programme insiste sur l'analyse rigoureuse de données ¹. Voici une démarche à appliquer à chaque document ou chaque question.

Une autre mesure indirecte existe : les gravimètres quantifient la composante verticale de la pesanteur et fournissent des mesures continues de ses variations dans le temps, ce qui permet d'étudier des phénomènes géophysiques ². Elle montre que la Terre se mesure aussi sans être ouverte.