Les échos


Notre Terre ouverte comme un abricot, découpée en 3, 4 ou 5 couches: l’image ci-dessus est familière à beaucoup de monde, notamment aux fans d’un adorable paléo-écureuil aux dents longues. Pourtant, nous l’avions déjà évoqué: le forage le plus profond jamais réalisé a péniblement atteint les 12 km de profondeur: c’est une égratignure à l’échelle du globe, et de ses 13 000 km de diamètre !

Alors si on ne peut pas creuser, comment sait-on ce qu’il y a à l’intérieur ? C’est l’illustration parfaite de ce que sont beaucoup de problèmes de physique. Vous êtes devant une boîte noire, vous ne pouvez pas l’ouvrir, comment en deviner le contenu ? Un Croate, un Allemand et une Danoise: pour la Terre, ils auront été trois à s’y coller, en à peine 30 ans, au début du siècle dernier.

Préliminaire

Mais avant ce trio gagnant, il y a un précurseur. Comme beaucoup d’histoires en ce début de XXe siècle, celle-ci commence évidemment… à Göttingen. Avec Emil Wiechert, physicien formé… à Königsberg (on n’en sort pas). Comme beaucoup de ses contemporains, il s’intéresse aux rayons X et cathodiques, mais ne parvient pas à décrocher une chaire en physique théorique. En 1898, ce qu’on lui propose à la place, c’est de fonder à Göttingen le tout premier institut au monde dévolu à une discipline qui n’existe pas encore: la géophysique. Wiechert y réalise deux contributions majeures. D’abord, il réfléchit aux couches internes de la Terre. Depuis l’expérience de Cavendish en 1799, on connaît la masse de notre planète, et donc sa densité moyenne: elle est 5,5 fois plus dense que l’eau. Or, si vous ramassez un morceau de calcaire, de granite ou de basalte et que vous le pesez, vous ne trouverez pas plus de 3. Certes, si en profondeur la pression augmente, la densité des roches doit augmenter aussi… mais à ce point-là ? L’idée qu’il pourrait y avoir au centre de la Terre autre chose que du caillou commence à faire son chemin[1].

Les tout nouveaux rayons X, c’est très bien pour voir l’intérieur du corps humain… mais pour le sous-sol ça ne marche pas. Mais contrairement aux rayons X, ce qui peut se propager à travers le sous-sol, ce sont les vibrations sismiques. L’autre grand apport de Wiechert sera donc technologique: il va développer les sismographes les plus précis de l’époque. En quelques années seulement, ils équipent tous les laboratoires du monde. Et partout où le sol bouge, c’est en fait toute la Terre qui entre en vibration.

1) en Croatie

Ci-contre, ce monsieur a l’air narquois, c’est notre premier protagoniste: le Croate Andrija Mohorovičić, qui dirige l’observatoire météorologique[2] de Zagreb. Il vient d’installer dans la région des dizaines d’exemplaires du sismographe de Wiechert. Et ça tombe bien, parce que le 8 octobre 1909, un séisme secoue la Croatie. Le désormais sismologue repère l’heure à laquelle la toute première vibration arrive au détecteur, en fonction de la distance entre celui-ci et l’épicentre.

Si on suppose que la vitesse des ondes dans le sous-sol est à peu près toujours la même (disons 5 ou 6 km/s), on s’attend à obtenir une droite. C’est bien ce que Mohorovičić observe pour les sismographes pas trop éloignés… mais ensuite la courbe s’infléchit ! Seule hypothèse cohérente: sous la surface, il y a une interface. Après tout, le séisme provoque des vibrations qui se propagent dans toutes les directions. Les ondes sismiques peuvent se contenter d’aller tout droit dans la croûte, au-dessus… mais elles peuvent aussi descendre et passer dans le manteau, en-dessous. Ça paraît plus long ? En distance peut-être, mais si elles avancent plus vite dans le manteau, alors c’est plus rapide de faire le détour !

Et tout cela explique aussi une autre bizarrerie: on voit un troisième signal qui arrive bien plus tard aux stations: c’est la vibration qui s’est réfléchie sur cette interface, comme sur un miroir. Voilà enfin la limite entre la croûte terrestre et le manteau terrestre, que beaucoup avaient déjà supputée.  L’habitude est de donner à la découverte le nom du découvreur, mais comme les géologues n’aiment pas les diacritiques[3], celui-ci verra son patronyme amputé: la surface qui sépare la croûte du manteau sera le Moho.

Le Moho n’est jamais très profond: entre 6 km (sous les océans) et 60 km (sous le Tibet). Donc la croûte est vraiment très, très fine (autant qu’une coquille d’œuf). Et en dessous, on le découvrira plus tard, le manteau est lui aussi rocheux, et solide (un peu plus plastique que la croûte, mais solide quand même). On le sait parce qu’il existe un type d’ondes sismiques qui ne se propagent pas dans les liquides, et qui  pourtant traversent le manteau sans problème. Le Moho sépare donc deux couches de caillou: du basalte ou du granite dans la croûte, et de la péridotite, une jolie roche verte, dans le manteau.

2) retour à Göttingen

Quelques années plus tard… De 1911 à 1914, Beno Gutenberg — rien à voir avec l’imprimerie — est en doctorat avec Wiechert. Les sismographes ont essaimé partout dans le monde, et une communauté s’organise, partage les informations. Gutenberg fait comme Mohorovičić, mais pour des gros séismes lointains. On dit qu’il trace des hodochrones. Plus on s’éloigne du séisme, plus il faut longtemps aux vibrations pour arriver: logique. Mais en compilant toutes les données disponibles, Gutenberg tombe sur un os: entre 11 000 et 15 000 km de l’épicentre… on ne capte plus rien ! Comme si on était tombé dans une ombre sismique. Mais l’ombre de quoi ?

Quand elles se propagent, les ondes sismiques se comportent comme la lumière: elles suivent le chemin le plus court. Dans la Terre, le chemin le plus court, ce n’est pas de suivre la surface mais de passer à l’intérieur du globe[4]. Et donc comme la lumière, quand les ondes sismiques passent d’un milieu à un autre, elles sont déviées (réfractées: comme un stylo à moitié plongé dans l’eau, qui apparaît coudé).

Gutenberg fait donc une hypothèse radicale: il doit y avoir une autre interface à l’intérieur du globe, vers 3 000 km de profondeur. Et la déviation des ondes sismiques sur cette discontinuité explique la zone d’ombre. Il faut juste que le contraste entre les 2 couches, qu’on peut maintenant appeler manteau et noyau, soit très important. C’est ce qu’on vérifiera par la suite: en bas du manteau, c’est toujours de la roche, solide, avec une densité autour de 5. Et juste en dessous, on se retrouve d’un coup dans du fer liquide (avec un peu de nickel), qui est deux fois plus dense !

3) au Groenland

ingelehmann.jpegPassent les années, les séismes et la 1ère guerre mondiale. La Danoise Inge Lehmann a un parcours compliqué: après ses études à Copenhague puis Cambridge, elle revient dans sa ville natale, mais pour travailler comme actuaire. Avant de reprendre ses études à 30 ans, pour être finalement embauchée, en 1928, au département de géodésie. Or les sismographes sont souvent précisément placés dans les stations géodésiques.  Lehmann, qui a travaillé avec Gutenberg juste avant son départ pour la Californie[5], participe à la mise en place de nouveaux instruments au Danemark et au Groenland.

En 1929, un gros séisme a lieu en Nouvelle-Zélande. Le sismographe qu’elle vient de poser à Ittoqqortootmitt, sur la côte est du Groenland, est pile dans la zone d’ombre… et pourtant il enregistre quelque chose !

Cela ne remet pas en cause l’existence du noyau: les signaux captés dans la zone d’ombre sont rares, et difficiles à repérer. Alors rebelote: Lehmann propose comme explication… encore une nouvelle couche.  À l’intérieur du noyau liquide, un noyau interne (ou graine), qui doit faire un peu plus de 1000 km de rayon. Les signaux qui arrivent dans la zone d’ombre sont ceux qui se sont réfléchis sur cette nouvelle interface, ou qui sont passés à l’intérieur de la graine. La sismologue danoise attend 1936 pour publier sa découverte, dans ce qui est certainement l’article scientifique au titre le plus court jamais écrit: « P' ». Plus tard, on confirmera  que la graine est constituée de fer solide: elle grossit au fur et à mesure que le noyau de fer liquide refroidit et cristallise.

Dans la boîte noire

Les 3 discontinuités découvertes par Mohorovičić, Gutenberg et Lehmann sont les plus marquées à l’intérieur de la Terre. On en a ensuite distingué quelques autres, moins flagrantes (qui séparent croûtes supérieure et inférieure, manteau supérieur et ses sous-couches, manteau inférieur, couche D »). Mais surtout, en exploitant les temps de trajet de chaque petit pic de vibration qui parvient aux détecteurs, on peut étudier en détail comment la densité varie avec la profondeur[6]. Le modèle de référence, avec uniquement des couches concentriques, sera achevé dans les années 80. Il s’appelle Preliminary Reference Earth Model, mais ça fait bientôt 40 ans qu’on l’utilise.

Finalement, la géophysique, c’est presque plus facile qu’un Kinder surprise: la boîte noire est toujours fermée, mais il suffisait de la secouer pour deviner ce qu’elle cache.


Aller plus loin

  • On a déjà mentionné le fait que la géophysique est une science jeune. Il est intéressant de se retourner un peu sur les dates mentionnées ici: 1909, 1914, 1936. Le noyau terrestre fait 7 000 km de diamètre et Gutenberg l’a trouvé un an après que Rutherford a découvert le noyau atomique, qui est pourtant beaucoup plus petit. Pluton est à 6 milliards de km de la Terre, et pourtant elle a été découverte 6 ans avant la graine qui est sous nos pieds !
  • Récapitulons ce qu’il fallait pour percer sans creuser les secrets du noyau et du manteau: 1) mesurer la taille de la Terre (il faut un bâton et un chameau) et la gravité (il faut un chronomètre et un pendule). 2) Mesurer la période de précession des équinoxes (bon, là il faut quand même observer le ciel pendant un bon moment). 3) Et enfin, trouver la zone d’ombre. C’est bon, vous avez la taille du noyau, sa densité, et celle du manteau.
  • Pendant un siècle, les ondes sismiques, qui peuvent traverser l’intérieur de la Terre, auront été l’outil indétrônable pour en percer les mystères. Mais aujourd’hui, une nouvelle méthode arrive: c’est l’étude des neutrinos. À chaque fois qu’un atome radioactif (uranium ou thorium, notamment) se désintègre dans le manteau, une de ces particules presque indétectables est émise. Et les neutrinos peuvent eux aussi traverser la Terre sans problème. Donc évidemment, ils ne sont pas faciles à repérer… mais si on met à profit les très impressionnants détecteurs comme Super-Kamiokande au Japon, on peut désormais s’en servir pour observer ce qui se passe sous terre !
  • Au départ, on a observé les vibrations émises par les gros séismes pour sonder le cœur profond de la Terre. Mais pourquoi ne pas s’en servir aussi pour « échographier » à quelques kilomètres de profondeur ? Pour cela, pas besoin d’attendre un tremblement de terre: il suffit d’en provoquer un tout petit avec un petit explosif, ou en faisant tomber un gros bloc de béton par terre (ou quand on est sous l’eau, avec un canon à air — au risque de perturber les dialogues entre baleines). C’est comme ça qu’on trouve du pétrole, des minerais, ou plus fondamentalement que l’on comprend la structure exacte de la croûte terrestre… ce qui permettra peut-être un jour de prévenir les séismes !
  • Jouez à tracer vous-mêmes les rais sismiques à travers les différentes couches de la Terre, chez Tout là-bas, en dessous. Plus de détails aussi sur les phases sismiques. Et une fois qu’on a les vitesses sismiques, puis la densité, puis la pression, on fait comment pour la température ?
  • Une courte biographie et correspondance d’Inge Lehmann [en anglais]. Et une analyse détaillée de son article de 1936 (c’est un peu plus subtil que le résumé fait ici).

[1] 150 ans plus tôt, Buffon, qu’on a connu plus inspiré, écrivait encore: « le globe terrestre en général peut être regardé comme homogène. […] Pourquoi voudrait-on par exemple que les parties voisines du centre soient plus denses que celles qui en sont plus éloignées ? ». Raté.
[2] Ce n’est pas le seul météorologue ayant contribué à la sismologie: aujourd’hui encore, la surveillance sismique au Japon est du ressort de l’Agence Météorologique. C’était aussi la spécialité première d’Alfred Wegener, le père de la dérive des continents.

[3] Si quelqu’un sait comment on prononce son nom complet, n’hésitez pas à l’indiquer en commentaire !
[4] On a envie de dire que le chemin le plus court, c’est la ligne droite. Mais quand on descend en profondeur, la pression augmente. Donc la densité des roches aussi. Et donc la vitesse sismique aussi. Donc le chemin le plus rapide à travers le manteau s’incurve vers le bas. 
[5] Ne parvenant pas à décrocher un poste en Allemagne, il rejoindra le tout nouveau département de sismologie de Caltech à Pasadena, où il retrouvera un certain Charles Richter.
[6] Une fois qu’on connaît la densité on peut connaître la pression. Et en complétant avec des mesures expérimentales on peut faire des hypothèses sur la composition chimique,
la structure minéralogique et la température du manteau et du noyau.

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