On ne peut pas observer directement l'intérieur de la Terre : les mines les plus profondes descendent à environ 3 km et les forages à une douzaine de kilomètres, une épaisseur négligeable devant les 6 371 km du rayon terrestre. C'est le comportement des ondes sismiques qui a permis d'établir une véritable échographie du globe. Ce chapitre est l'un des plus interrogés du module : les discontinuités, leurs profondeurs et la zone d'ombre sont à connaître par cœur.
1. Trajet des rais sismiques et lois de la réfraction
Un rai sismique est la ligne perpendiculaire au front d'onde le long de laquelle l'énergie se déplace. Dans un milieu homogène, il serait rectiligne ; mais l'intérieur de la Terre est hétérogène et les rais obéissent aux lois de Snell-Descartes, comme la lumière. À une discontinuité (interface entre deux milieux de propriétés différentes), une partie de l'énergie est réfléchie vers le milieu supérieur, l'autre réfractée dans le milieu inférieur, avec sin i / sin r = V1 / V2. Si l'angle d'incidence devient trop grand, on obtient une réflexion totale.
Comme la vitesse des ondes augmente généralement avec la profondeur, un rai est réfracté de plus en plus loin de la normale, jusqu'à la réflexion totale, puis remonte par réfractions successives : sa trajectoire n'est pas une droite mais une courbe à concavité tournée vers le haut. À l'inverse, quand un rai entre dans un milieu plus lent (comme le noyau externe liquide), il est dévié vers la normale, ce qui crée des zones de la surface qu'aucune onde directe n'atteint.
2. Les grandes discontinuités
L'étude des séismes proches a révélé la discontinuité de Mohorovičić (le Moho, 1909) : sous les continents, à une profondeur moyenne de 30 à 40 km (jusqu'à 70 km sous les chaînes de montagnes) et de seulement 5 à 10 km sous les océans, la vitesse des ondes P saute brusquement de 6–7 km/s à environ 8 km/s. Elle sépare la croûte du manteau. Les séismes lointains ont mis en évidence la discontinuité de Gutenberg, à 2 900 km : les ondes P y ralentissent fortement (d'environ 13,5 à 8 km/s) et les ondes S disparaissent, preuve que le noyau externe est liquide. Enfin, la discontinuité de Lehmann, vers 5 150 km, marque le passage au noyau interne solide (la graine), où les ondes P réaccélèrent.
La zone d'ombre est l'argument majeur : pour un séisme donné, aucune onde P directe n'arrive aux stations situées entre 103° et 143° de distance angulaire de l'épicentre, car les rais sont fortement déviés en entrant dans le noyau liquide, moins rapide que le manteau ; les ondes S, elles, n'atteignent aucune station au-delà de 103°. Des discontinuités secondaires existent dans le manteau, vers 410 km et 670 km (changements de phase minéralogique) ; la seconde sépare le manteau supérieur du manteau inférieur.
Surface en profondeur où les vitesses des ondes sismiques varient brutalement, traduisant un changement de composition ou d'état physique (solide, liquide) du matériau.
3. Les enveloppes concentriques : croûte, manteau, noyau
La croûte est de deux types. La croûte continentale, épaisse (30–40 km en moyenne), est de composition granitique (riche en Si et Al), de densité d'environ 2,7, et contient les roches les plus anciennes (près de 4 Ga). La croûte océanique, mince (5–10 km), est de nature basaltique et gabbroïque, de densité d'environ 3, et n'a jamais plus de 180 à 200 Ma : elle est sans cesse créée aux dorsales et détruite dans les subductions. Le manteau, de 30 à 2 900 km, représente environ 82 % du volume de la Terre ; il est formé de péridotites (olivine, pyroxènes), de densité croissant de 3,3 à environ 5,5 avec la profondeur, et il est solide mais capable de fluer très lentement (convection). Le noyau, de 2 900 km au centre, est un alliage de fer et de nickel de densité 10 à 13 : externe liquide (siège du champ magnétique terrestre par effet dynamo), interne solide. Sa masse représente environ un tiers de celle de la planète.
4. Lithosphère et asthénosphère : le modèle rhéologique
Le découpage croûte/manteau/noyau est chimique. Un second découpage, mécanique (rhéologique), est fondamental pour la tectonique des plaques. La lithosphère est l'enveloppe rigide et cassante qui regroupe la croûte et la partie supérieure du manteau ; son épaisseur est d'environ 100 km (de quelques kilomètres aux dorsales à 150–200 km sous les vieux continents). Elle repose sur l'asthénosphère, portion du manteau supérieur ductile, aux roches proches de leur point de fusion, où l'on observe une zone à faible vitesse (LVZ) entre environ 100 et 250 km de profondeur. C'est la ductilité de l'asthénosphère qui permet aux plaques lithosphériques de se déplacer.
5. Densité, pression et température
La densité moyenne de la Terre est d'environ 5,5, bien supérieure à celle des roches de surface (2,7–3) : le noyau doit donc être très dense, ce que confirment les données sismiques. La pression atteint plusieurs millions de bars au centre. La température croît d'environ 3 °C par 100 m dans la croûte (gradient géothermique), puis beaucoup plus lentement dans le manteau ; elle dépasse 5 000 °C au centre. Ces conditions expliquent l'état liquide du noyau externe et la solidité de la graine, où la pression l'emporte sur la température.
| Enveloppe | Profondeur | Composition | État | Densité |
|---|---|---|---|---|
| Croûte continentale | 0 à 30–40 km | Granitique (Si, Al) | Solide | ≈ 2,7 |
| Croûte océanique | 0 à 5–10 km | Basaltes, gabbros | Solide | ≈ 3 |
| Manteau | Moho à 2 900 km | Péridotites (olivine) | Solide, ductile en partie | 3,3 → 5,5 |
| Noyau externe | 2 900 à 5 150 km | Fer, nickel | Liquide | ≈ 10 |
| Noyau interne (graine) | 5 150 à 6 371 km | Fer, nickel | Solide | ≈ 13 |
Les enveloppes internes de la Terre
- Trois discontinuités majeures : Moho (30–40 km continents, 5–10 km océans), Gutenberg (2 900 km), Lehmann (5 150 km).
- Les ondes S ne traversent pas le noyau externe → il est liquide ; la zone d'ombre des P s'étend de 103° à 143°.
- Découpage chimique : croûte (granitique ou basaltique), manteau (péridotites), noyau (Fe-Ni).
- Découpage mécanique : lithosphère rigide (≈ 100 km) sur asthénosphère ductile (LVZ vers 100–250 km).
- Densité moyenne 5,5 ; densité croissante vers le centre ; noyau externe liquide = origine du champ magnétique.
Le schéma de la Terre en coupe à compléter (noms, profondeurs, états) est quasi systématique, ainsi que la question « pourquoi peut-on affirmer que le noyau externe est liquide ? » (disparition des S, zone d'ombre). Ne confonds pas croûte et lithosphère : la lithosphère inclut la croûte plus la partie rigide du manteau supérieur. Retiens aussi que le Moho est plus profond sous les continents que sous les océans.