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L'état actuel de nos connaissances sur la constitution du globe terrestre
GYSIN, Marcel
GYSIN, Marcel. L'état actuel de nos connaissances sur la constitution du globe terrestre. Alma Mater: revue universitaire, 1946, no. 19, p. 183-191
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SUR LA CONSTITUTION DU GLOBE TERRESTRE
Marcel G YSIN
Professeur à l'Université de Genève
Comment notre Globe s'est-il formé ? Quelles sont les matières qui le constituent ? Comment ces matières sont-elles distribuées ? Voilà autant de questions fondamentales auxquelles on ne peut répondre que par des hypothèses. Alors que les astrophysiciens nous donnent mainte- nant des précisions surprenantes sur la composition et la température des étoiles, alors que le domaine de !'infiniment petit révèle chaque jour les secrets de sa constitution, la formation et la composition de la Terre restent toujours entourées d'un profond mystère.
La plupart des théories géogéniques échafaudées dans le courant du siècle dernier ont été démenties par les observations modernes ; ainsi la notion d'une sphère liquide, recouverte d'une mince croûte solide, fort à la mode il y a quelques décades, n'est plus compatible avec ce que l'on sait de la rigidité moyenne du globe terrestre et de la propagation des tremblements de terre. Le mécanisme de la formation des mon- tagnes, longtemps considéré comme un processus mis en jeu simplement par la contraction de l'écorce terrestre, apparaît de nos jours comme un phénomène beaucoup plus complexe, en grande partie encore inexpliqué ; la conception même du refroidissement continu de la Terre a été remise en discussion à la suite de la découverte de la radio-activité. La désinté- gration atomique nous a ouvert des horizons nouveaux et laissé entrevoir, de très loin, des possibilités qui auraient été jugées purement fantaisistes il y a quelques années. Toutefois, si de nouvelles conceptions se sont fait jour, nous ne sommes pas encore sortis du domaine des hypothèses et nos prévisions restent à la merci d'une découverte qui pourrait les bouleverser complètement.
Nous allons maintenant chercher à faire le point, en précisant quels sont les faits acquis et quelles sont les· conclusions qui paraissent s'en dégager.
Nous rappellerons que les moyens dont on dispose pour prospecter l'intérieur du globe terrestre peuvent être groupés en trois catégories :
a) Les observations géodésiques et astronomiques ; b) Les observations géologiques ;
o) Les mesures géophysiques.
a) Les observations géodésiques et astronom,iqiies.
Ces observations ont permis de calculer la formé exacte de la Terre, sa rigidité globale (double de celle de l'acier), sa densité moyenne (5,52), etc.
Toute hypothèse sur la constitution du globe terrestre doit satisfaire exactement à ces données.
b) Les observations géologiques.
Les observations géologiques ne col}.cernent malheureusement que les parties de l'écorce tefrestre plus ou moins directement accessibles à notre examen, pellicule infime en regard des dimensions du Globe ; en
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effet, alors que le rayon terrestre est de 6370 km., on évalue à environ 16 -km. seulement l'épaisseur de l'écorce terrestre dont nous connaissons avec certitude la composition.
L'étude systématique des· roches sédi?nentaires, mises à jour à la suite des phénomènes de plissement et d'érosion, a permis de reconstituer l'histoire de la surface de notre Globe à partir des temps reculés où les premiers organismes marins marquaient l'apparition de la vie sur notre planète ; grâce aux patientes recherches des paléontologistes, la faune terrestre et marine des époques géologiques nous est maintenant devenue familière, de même que la répartition des terres et des mers.
L'étude des roches érnptives, expulsées par les orifices volcaniques ou injectées dans la partie supérieure de l'écorce terrestre, nous œnseigne sur la composition du substratum immédiat de cette écorce, c'est-à-dire sur des régions du Globe qui ne doivent vraisemblablement pas dépasser 60 à 80 km. de profondeur.
Toutefois, la géologie ne nous documente que sur l'évolution de la face de la Terre, mais non pas sur le mécanisme de sa formation, ni sur la composition des parties profondes.
On- peut rattacher à cette catégOTie d'observations l'étude des niétéorites, ces fragments cosmiques qui nous parviennent de mondes inconnus ayant vraisemblablement une composition analogue à celle de notre Terre. Certaines météorites sont formées de matières pierreuses très semblables à certaines des roches éruptives terrestres, tandis que d'autres météorites sont constituées par des matières métalliques (fer- nickel) ou par un mélange de parties pierreuses et de parties métalliques.
On n'a pas découvert dans les météorites d'éléments inconnus sur notre planète.
c) Les '1nesitres géophysiques. ·c
Nos connaissances sur la constitution du globe terrestre seraient réellement infimes si une science relativement récente, la géophysique, n'était venue nous apporter des renseignements assez précis sur certaines propriétés physiques et mécaniques des parties profondes de la Terre, parties inaccessibles aux observations directes.
La géophysique dispose de plusieurs méthodes d'investigation, notamment de la mesure des anomalies de la pesanteur et de la déter- mination des vitesses de propagation des tremblements de terre.
On sait que des balances extrêmement sensibles, telles que les balances de torsion, permettent de déceler des excédents ou des déficits de masse dans le sous-sol. Ainsi, un même volume d'une même substance, placé successivement en deux points différents de la surface du Globe, accusera deux poids différents, cette différence dépendant des conditions de latitude, d'altitude et de relief des deux points ; en supposant l'égalité parfaite de ces conditions, la balance sera encore influencée' par la densité du sous-sol. L'existence de masses lourdes (minerai de fer, par exemple) fla.irn le soU:s-sol se traduira par une attraction plus forte que l'attra.ction
normale; ce phénomène est généralement désigné sous le nom d'anomalie de la pesanteur. La prospection systématique d'une région à l'aide de la balance de torsion permet d'indiquer quelle est la répartition des roches lourdes et des roches légères dans· le sous-sol ; on a ainsi découvert que le substratum des océans est constitué par des roches plus denses que celles qui forment les sous-sols continentaux. Toutefois, ce procédé d'investigation ne permet pas de dépasser environ 100 km. de profondeur.
Quant à l'étude de la propagation des tremblements de terre, elle a permis de pousser les recherches jusqu'au centre même du Globe;
aussi, constitue-t-elle la méthode la plus efücace pour prospecter les profondeurs de notre Terre. Nous allons nous étendre un peu plus lon- guement sur cette question, car les résultats obtenus dans ce domaine forment réellement la clef de voûte des hypothèses modernes· sur la constitution du globe terrestre. Nous rappellerons que les tremblements de terre résultent d'une rupture du matériel constituant la croûte terrestre ou son substratum, rupture appliquée en un point idéal appelé hypoceritre ou foyer, situé souvent vers 40 km. de profondeur, mais pouvant aussi atteindre jusqu'à 700 km. de profondeur.
A partir du foyer, le tremblement de terre se propage en formant deux sortes d'ondes : les premières, les pfus rapides et les moins amples, correspondent à des vibrations longitudinales, çomme les ondes sonores ; elles traversent tous les milieux, même les liquides, avec une vitesse qui est proportionnelle à la racine carrée de la rigidité et inversément propor- tionnelle à la racine carrée de la densité et de la compressibilité du milieu traversé. Les secondes, plus lentes et de plus grande amplitude, corres- pondent à des vibrations transversales, comme les ondes lumineuses ; elles ne se propagent que dans les milieux doués d'une rigidité appréciable, avec une vitesse proportionnelle à la racine carrée de la rigidité et inver- sément proportionnelle à la racine carrée de la densité du milieu traversé.
Enfin, à la surface même du Globe, à partir d'un point situé au-dessus du foyer et appelé épicentre, se propagent les ondes cle surface, de plus faible vitesse et de plus grande amplitude encore, qui ne présentent pas d'intérêt majeur dans la question que nous traitons ici.
On admet que la densité du matériel qui constitue le globe terrestre va en augmentant généralement avec la profondeur, ceci pour plusieurs raisons que nous ne développerons pas maintenant ; de même, la rigidité de ce matériel augmente avec la profondeur, tout au moins entre certaines limites. Les vitesses de propagation des ondes sismiques, sollicitées par deux facteurs contraires, iront en augmentant assez fortement jusque vers -2450 m. Cette augmentation continue des vitesses détermine une réfraction continue des trajectoires suivies par les ondes, ces trajectoires affectant la forme de 'courbes dont la concavité est tournée vers le haut.
Dans ces conditions, les ondes émanant d'un foyer plus ou moins super- ficiel émergent à la surface du Globe après avoir pénétré plus o·u moirn;
profondément à l'intérieur de celui-ci (voiT figure ci-après).
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Coupe schématique du globe terrestre et trajectoires des ondes sismiques longitudinales.
(D'après J . B. M acelwane.)
Connaissant alors les distances comprises entre le foyer et les différents points d'émersion où sont placés les sismographes, ainsi que les temps compris entre le début du tremblement de terre et la percep- tion des ondes aux différents points d'émersion, on peut finalement calculer les vitesses de propagation des ondes sismiques aux différentes profondeurs du globe terrestre. Ces vitesses, au lieu de varier d'une façon continue et régulière avec la profondeur, accusent des variations brusques à des profondeurs déterminées et toujours sensiblement les mêmes, variations qui doivent être attribuées à des changements rapides dans la composition des milieux traversés par les ondes sismiques.
Ainsi, vers 60 km. de profondeur, on observe parfois une légère diminution passagère des vitesses, ce qui correspond probablement à la limite de l'écorce terrestre proprement dite. De 60 à 1000 km., les vitesses augmentent assez rapidement, tandis que de 1000 à 2450 km., l'augmentation devient plus faible. De 2450 à 2900 km., on note une légère diminution de la vitesse des ondes. Enfin, au delà de 2900 km.
jusqu'au centre de la terre, la vitesse des ondes longitudinales reprend sa progression, tandis que les ondes transversales sont apparemment absorbées, comme dans un milieu liquide.
Densité, pression et te11ipérature.
Tandis que la densité globale de la Terre est de 5,52, celle des roches qui forment la croûte terrestre est d'environ 2, 79 ; pour compen- ser cette légèreté relative des parties superficielles, il est logique d'envi- sager l'existence de substances plus lourdes à l'intérieur. Du reste, du seul fait de l'augmentation croissante de la pression, les matières situées à des profondeurs de plus en plus grandes doivent nécessairement offrir des densités croissantes ; ainsi, on a calculé qu'une roche superficielle de densité 2, 7 atteindrait une densité de 4,3 à 3200 km. de profondeur. La connaissance des vitesses de propagation des ondes sismiques permet aussi d'évaluer les densités aux différentes profondeurs ; pour le noyau terrestre, on a trouvé des densités allant de 7,8 à plus de 10.
Quant à la pression, due essentiellement à la charge des matériaux sus-jacents, elle doit atteindre 17.000 atmosphères à 60 km. de profon- deur et environ 3.500.000 atmosphères vers le centre du noyau terrestre.
Si nous cherchons à connaître les températures probables en pro- fondeur, nous devons constater que nos renseignements demeurent très imprécis. En effet, les mesures faites dans les puits et les forages donnent une élévation de température d'environ trois degrés centi- grades par 100 mètres d'approfondissement, mais ces mesures ont été limitées à quelques kilomètres de profondeur seulement. Ces dQnnées très superficielles ne nous renseignent pas sur l'allure probable de la courbe température-profondeur au delà de ces quelques kilomètres ; si la variation restait sensiblemènt la même aux grandes profondeurs, on atteindrait des températures fantastiques au centre de la Terre, mais tous les savants sont d'accord pour · exclure une telle hypothèse. De nombreux essais ont été tentés pour calculer les températures possibles en profondeur, mais les éléments de ces calculs demeurent très imprécis;
en effet, nous ne connaissons ni l'âge de la Terre, ni sa température ini- tiale, ni l'influence des courants de convection, ni les conductibilités thermiques en profondeur, ni la valeur de l'apport de chaleur radio·active, etc. En ce qui concerne plus particulièrement la radio-activité, tous les spécialistes sont d'accord pour la considérer comme localisée dans les parties périphériques du globe terrestre ; mais, tandis que les géo- chimistes prétendent que l'apport de chaleur radioactive est supérieur à la chaleur perdue à travers l'écorce terrestre, bien des géophysiciens estiment, au contraire, que cet apport n'est pas si considérable et que la Terre se refroidit graduellement par suite de la destruction des éléments radioactifs.
La température vers 60 km. de profondeur est évaluée à environ 900° par les uns et 1300° par les autres. Pour les régions situées vers le centre de la Terre, on envisageait autrefois des températures de l'ordre
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de 20.000°, mais on semble admettre de nos jours des valeurs beau- coup plus modérées, allant de 2000° à 4000° au maximmn.
La constitiition de la croûte terrestre.
L'épiderme de la Terre, dénommé croûte terrestre, nous apparaît constitué en général par des sédiments plus ou moins épais, en moyenne 2 km. dans. les régions non plissées, puis par un complexe de sédiments métamorphisés, recristallisés, et de roches granitiques, le tout traversé par des venues basaltiques s'épanchant en nappes superficielles. On est en droit de schématiser ainsi la croûte terrestre, car, bien que la variété des roches y soit considérable, les granites et les basaltes prédo- minent très largement. Ajoutons que ce schéma ne concerne que les masses continentales, le substratum des fonds océaniques, notamment des fonds du Pacifique, nous demeurant presque inconnu. Néanmoins, les mesures géophysiques effectuées dans ces dernières régions révèlent l'existence probable de roches denses, basiques, analogues aux basaltes.
On peut ainsi concevoir l'écorce terrestre formée de masses continentales essentiellement granitiques, légères, et de masses sous-océaniques basal- tiques, lourdes.
Cette sorte de compensation entre l'altitude ·des formations super- ficielles du Globe et leur densité relative a été mise en évidence depuis plus d'un siècle par Pratt et Airy, et désignée sous le nom d'isostasie.
Elle a conduit les géologues à considérer les continents comme des masses de roches légères, granitiques, « flottant » en quelque sorte sur un substra- tum plus lourd, basaltique. Une surcharge appliquée à une masse conti- nentale (telle que calotte glaciaire, remplissage sédimentaire) aura pour conséquence l'enfoncement du continent, et vice-versa.
On désigne généralement les masses légères, essentiellement grani- tiques, sous le nom de sial (silice-alumine), et les masses lourdes, basal- tiques, sous le nom de sima (silice-magnésium).
D'après R.-A. Daly, la croûte terrestre offrirait la composition suivante :
Montagnes continentales Plaines continentales Océans :
50 km.
40 l) 0 )) La constitution du globe terrestre.
de sial et id. id.
4 km. de sima 20 )) id.
80 l) id.
En collationnant les résultats des mesures et des observations dont nous venons de donner l'analyse sommaire, on peut chercher à dessiner la coupe possible du globe terrestre, à prévoir la nature et la répartition des matériaux qui le constituent. Toutefois, ces interpréta- tions comportent toutes une large part d'imagination et sont toutes sujettes à critiques et à revision. Ce domaine réalise d'autant plus diffi- cilement la convergence des opinions, qu'il exige lui-même la colla- boration de sciences très diverses, et que, par conséquent, nul spécia- liste n'est complètement maître de ce terrain trop vaste.
Jusqu'à preuve du contraire, on peut accepter les trois postulats suivants et en tirer les conséquences pratiques qui en résultent :
1. La Terre est le résultat d'une scission de la masse gazeuse solaire, scission opérée soit grâce à l'influence attractive d'une étoile passant au voisinage du soleil, soit à la suite d'une collision entre le soleil et cette étoile (H. Jeffreys).
2. Le globe terrestre renferme un noyau métallique sphérique.
3. Oë noyau est entouré de plusieurs enveloppes concentriques, présentant des surfaces unies et des densités décroissant en général vers l'extérieur, le matériel de chaque enveloppe étant homogène en direction, sauf en ce qui concerne la mince enveloppe externe dénommée croùte te~·restre.
La croùte terrestre mesure de 50 à 80 km. d'épaisseur ; elle est for- mée essentiellement de roches cristallisées, dont une première couche de roches granitiques, le sial, reposant sur une seconde couche de roches plus denses, analogues aux basaltès et aux péridotites, le sima cristallin.
Sous les océans, le sial manque plus ou moins complètement et le sima cristallin apparaît directement.
Au-dessous des continents, aux environs de 60 km. de profondeur, la légère diminution observée dans la vitesse des ondes sismiques pour- rait être due au fait que les roches cristallines de la croûte passeraient ici à un magma fondu, chaud. Du fait des fortes pressions qu'il supporte à ces profondeurs, ce magma serait doué d'une grande rigidité vis-à-vis des faibles forces i:.1ises temporairement en jeu par la propagation des ondes sismiques ; par contre, soumis à des forces plus considérables et de longue durée, ce magma se comporterait comme une masse plas- tique. Il s'agirait, en résumé, d'un liquide extrêmement visqueux, offrant une composition voisine de celle des basaltes ; on le désigne parfois sous le nom de sima vitreux. Il formerait au-dessous de la croûte terrestre une enveloppe continue, d'une centaine de kilomètres d'épais- seur, qui alimenterait toutes les éruptions basaltiques observées en surface. La présence de ce substratum plastique expliquerait les phéno- mènes d'isostasie, les continents surchargés pouvant s'enfoncer dans le sima vitreux, les masses délestées pouvant au contraire émerger.
Vers le bas, le sima vitreux offrirait une composition de plus en plus basique et une densité croissante, mais sa rigidité irait en augmentant du fait des pressions grandissantes. L'enveloppe ainsi comprise attein- drait une profondeur d'environ 1000 kilomètres ; elle est désignée sous le nom d'asthénosphère ou de manteaii.
L'enveloppe suivante, allant jusqu'au noyau à 2900 km. de profon- deur, marque de plus fortes différences de composition dans le sens verti- cal. Les vitesses des ondes sismiques augmentent faiblement au début pour décroître ensuite ; cette diminution de vitesse peut être attribuée à une forte augmentation de la densité, dont l'effet dépasse celui dû aux autres facteurs (rigidité et compressibilité). H. S. Washington considère
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que cette enveloppe, dénommée stéréosphère ou enveloppe inierméàlaire, est formée successivement d'un mélange de roches et de nodules métal- liques, puis d'un mélange de fer et de nodules pierreux.
A partir de 2900 km. de profondeur commence le noyau, dans lequel les ondes sismiques à vibrations transversales paraissent totale- ment absorbées, ce qui implique pour ce noyau un état non solide. :f>ar comparaison avec les météorites métalliques, on suppose que le noyau est constitué par un alliage de fer et de nickel.
L'histoire possible de ·la Terre.
En partant des données exposées par B. Gutenberg et ses collabo- rateurs (Internal Constitution of the Earth, McGraw-Hill Book Cy, New York and London, 1939), on peut esquisser de la façon suivante l'histoire possible de notre Terre :
Il y a 2 ou 3 milliards d'années, sous l'influence d'une étoile de passage (attraction ou collision), il s'est détaché de la masse solaire plu- sieurs fragments gazeux correspondant à la Terre et aux planètes. Le fragment destiné à former la Terre a passé assez rapidement. de l'état gazeux à l'état liquide en prenant la forme d'un sphéroïde. Le liquide s'est différencié en plusieurs couches concentriques d'inégale densité et d'inégale composition, les parties lourdes s'accumulant au centre et les parties légères formant les couches superficielles ; ces dernières pouvaient comprendre une couche périphérique de composition granitique et un substratum de composition basaltique.
Le liquide superficiel s'est refroidi assez rapidement pour former la première croûte terrestre, plusieurs fois refondue et recristallisée ; cette croûte, mauvaise conductrice de la chaleur, a préservé les parties sous- jacentes d'un refroidissement rapide. Néanmoins, il y a eu refroidisse- ment et contraction des parties superficielles, ce qui a déterminé la formation d'une zone de forte compression dans l'écorce isolante ; sous l'action conjuguée de cette compression et des courants de convection thermique, ainsi que peut-être sous l'action de forces résultant d'une dyssymétrie dans la répartition des masses profondes, la pellicule solide s'est déchirée et s'est chiffonnée pour venir former l'hémisphère conti- nental primitif.
Dans l'autre hémisphère, le liquide sous-jacent mis à nu par le glisse- ment de la croûte a cristallisé, formant ainsi le sima sous-océanique.
Plus tard, sous l'action de forces dont la ·nature nous est encore inconnue, le grand continent primitif s'est disloqué, ses fragments ont dérivé durant des centaines de millions d'années sur leur substratum plastique pour venir former les cinq continents actuels. Telle se présente l'évolution de la face de la Terre selon l'ingéni~use conception de Taylor- Wegener sur la dérive des continents, conception admise par la plupart des géologues.
