Structure du globe terrestre

De la surface au noyau : comment la sismologie révèle l'intérieur de la Terre sans y descendre.

1 L'idée

L'intérieur du globe est inaccessible directement : le forage le plus profond jamais réalisé (Kola, Russie) n'atteint que 12 km sur les 6 371 km de rayon terrestre. La structure interne est donc connue grâce à des méthodes indirectes, principalement la sismologie : l'analyse de la propagation des ondes sismiques à travers le globe.

Ces ondes changent de vitesse et de direction chaque fois qu'elles traversent une interface entre deux milieux de composition ou d'état physique différents. Ces changements permettent de localiser des discontinuités et de déduire la nature des couches traversées.

2 Les deux types d'ondes sismiques

Ondes P (primaires, de pression) : la matière vibre parallèlement à la direction de propagation. Elles se propagent dans les solides et les liquides. Elles arrivent en premier sur un sismogramme.

Ondes S (secondaires, de cisaillement) : la matière vibre perpendiculairement à la direction de propagation. Elles ne se propagent que dans les solides : tout milieu liquide les arrête.

Règle clé : l'absence d'ondes S dans une zone révèle obligatoirement un milieu liquide sur le trajet.

3 Les enveloppes internes du globe

Croûte continentale

$\text{Épaisseur : 30–70 km} \quad \rho \approx 2{,}7 \text{ g/cm}^3 \quad \text{(granite)}$

Croûte océanique

$\text{Épaisseur : 5–10 km} \quad \rho \approx 3{,}0 \text{ g/cm}^3 \quad \text{(basalte)}$

Manteau

$\text{30 – 2 900 km} \quad \rho \approx 3{,}3 \text{ à } 5{,}6 \text{ g/cm}^3 \quad \text{(péridotite, solide)}$

Noyau externe

$\text{2 900 – 5 100 km} \quad \text{liquide} \quad \text{(fer-nickel)}$

Graine (noyau interne)

$\text{5 100 – 6 371 km} \quad \text{solide} \quad \text{(fer-nickel)}$

4 Les trois discontinuités majeures

Discontinuité de Mohorovičić (Moho) : limite croûte / manteau. La vitesse des ondes P augmente brusquement (~6 km/s → ~8 km/s). Profondeur : ~30 km sous les continents, ~7 km sous les océans.
Discontinuité de Gutenberg (~2 900 km) : limite manteau / noyau externe. Les ondes S disparaissent (milieu liquide) ; les ondes P ralentissent brusquement (~13,5 km/s → ~8 km/s). Elle génère une zone d'ombre entre 103° et 143° d'angle épicentral.
Discontinuité de Lehmann (~5 100 km) : limite noyau externe / graine. Les ondes P accélèrent à nouveau (retour à un milieu solide).

5 Lithosphère et asthénosphère — une distinction mécanique

En plus du découpage chimique (croûte, manteau, noyau), on distingue des enveloppes mécaniques :

Lithosphère : enveloppe rigide et cassante = croûte + tout premier manteau solide froid. Épaisseur : 0 à ~100 km. Elle est découpée en plaques tectoniques.
Asthénosphère : zone du manteau partiellement fondue (~1 % de fusion), ductile et déformable à l'échelle géologique. La lithosphère repose sur elle et peut y glisser lentement.

Attention : lithosphère ≠ croûte. La lithosphère inclut la croûte et le manteau supérieur rigide.

Méthode — Retrouver la structure interne à partir des ondes

Vérifier si les ondes S sont reçues ou absentes : leur absence indique un milieu liquide sur le trajet.
Repérer la zone d'ombre des ondes P (103°–143°) : elle localise la discontinuité de Gutenberg à ~2 900 km.
Sur un graphe vitesse / profondeur : chaque saut brusque de vitesse signale une discontinuité ; nommer la couche avant et après.
Pour localiser l'épicentre : utiliser le délai $\Delta t = t_S - t_P$, qui augmente avec la distance à l'épicentre.

Erreurs fréquentes

Confondre croûte et lithosphère : la lithosphère = croûte + manteau supérieur rigide (≈ 100 km au total).
Croire que le manteau est entièrement liquide : il est solide mais ductile. Les ondes S le traversent.
Penser que la graine est liquide : elle est solide (les ondes S s'y propagent). C'est le noyau externe qui est liquide.
Inverser P et S : les ondes P sont plus rapides et arrivent en premier sur le sismogramme.