Méthodes utilisées pour déterminer la structure interne de la Terre

1. Les méthodes directes et leurs limites

Les méthodes directes consistent à observer et analyser des roches venues de l'intérieur.

• Les mines et les carrières. Les mines les plus profondes du monde (mines d'or d'Afrique du Sud) descendent à environ 4 km. En Guinée, les mines de bauxite de Boké ou d'or de Siguiri sont beaucoup moins profondes.
• Les forages. Le forage le plus profond jamais réalisé, dans la presqu'île de Kola (nord-ouest de la Russie), a atteint 12 262 m. Il a fallu l'arrêter à cause de la chaleur (environ 180 °C) et de la déformation des roches.
• Les roches amenées par les volcans. Certains magmas arrachent, en remontant, des fragments des roches qu'ils traversent : ce sont des enclaves (ou nodules). On trouve ainsi dans des basaltes des nodules de péridotite, roche verte riche en olivine, venue du manteau supérieur.
• Les roches remontées par la tectonique. Dans certaines chaînes de montagnes, des morceaux d'ancien fond océanique, avec la croûte océanique et le haut du manteau, ont été charriés sur les continents : ce sont les ophiolites.

Limite : 12 km représentent moins de 0,2 % du rayon terrestre (12,36 371 ≈ 0,0019). Les enclaves et les ophiolites ne dépassent pas le manteau supérieur. Plus de 99 % du globe est inaccessible : il faut des méthodes indirectes.

2. Première méthode indirecte : la masse volumique

Grâce aux lois de la gravitation (Newton, puis la mesure de Cavendish en 1798), on connaît la masse de la Terre (5,97 × 10²⁴ kg) et son volume (1,08 × 10²¹ m³). On en déduit sa masse volumique moyenne : environ 5,5 g/cm³.

Or les roches de la croûte ont une masse volumique de 2,7 (granite) à 3 g/cm³ (basalte), et celles du manteau supérieur d'environ 3,3 g/cm³ (péridotite). Pour obtenir une moyenne de 5,5, il faut qu'une partie de l'intérieur soit beaucoup plus dense, vers 10 à 13 g/cm³ : c'est l'indice d'un noyau métallique (fer et nickel comprimés).

3. Deuxième méthode indirecte : les météorites

Les météorites sont des fragments de roches venus de l'espace, restes des matériaux qui ont formé les planètes du système solaire il y a environ 4,5 milliards d'années. On en distingue deux grands types :

• les météorites pierreuses (chondrites), formées de silicates proches de la péridotite du manteau, avec des grains de métal ;
• les météorites métalliques (sidérites), formées d'un alliage de fer et de nickel.

On pense qu'elles proviennent de petits corps célestes qui se sont différenciés comme la Terre, puis ont été brisés. Les sidérites nous donnent donc une idée de la composition du noyau terrestre, et les pierreuses de celle du manteau.

4. Troisième méthode indirecte : le magnétisme et la chaleur

• Le champ magnétique terrestre oriente l'aiguille de la boussole. Pour l'expliquer, il faut dans la Terre une grande masse de métal liquide en mouvement, conducteur d'électricité, qui fonctionne comme une dynamo : c'est un argument pour un noyau externe liquide riche en fer.
• La chaleur interne (gradient géothermique, flux de chaleur) renseigne sur les températures profondes et sur les mouvements de matière dans le manteau.
• La gravimétrie : l'intensité de la pesanteur varie légèrement d'un lieu à l'autre selon la densité des roches du sous-sol ; elle permet de repérer, par exemple, des corps minéralisés denses.

5. La méthode la plus puissante : la sismologie

Lors d'un séisme, des ondes sismiques partent du foyer et traversent tout le globe. Des appareils, les sismographes, les enregistrent dans des stations réparties sur toute la Terre. Deux types d'ondes traversent l'intérieur du globe :

• les ondes P (premières), des ondes de compression, qui traversent les solides et les liquides ;
• les ondes S (secondes), des ondes de cisaillement, qui ne traversent pas les liquides.

Le principe est le suivant :

• la vitesse des ondes dépend du matériau traversé (sa rigidité et sa densité) : une variation brusque de vitesse à une certaine profondeur signale un changement de matériau, c'est-à-dire une discontinuité ;
• quand une onde franchit une discontinuité, elle est en partie réfléchie (elle rebondit) et en partie réfractée (elle change de direction), comme la lumière qui passe de l'air à l'eau ;
• en mesurant les temps d'arrivée des ondes dans de nombreuses stations, on reconstitue leur trajet et la profondeur des discontinuités.

La zone d'ombre. On observe qu'entre environ 105° et 142° de distance angulaire de l'épicentre (mesurée depuis le centre de la Terre), aucune onde P directe n'est enregistrée. Les ondes qui atteignent le noyau sont fortement déviées (réfractées) vers le centre, car leur vitesse chute brutalement : elles réapparaissent plus loin, au-delà de 142°. En 1914, Beno Gutenberg en a déduit l'existence d'un noyau dont la limite se trouve vers 2 900 km de profondeur. De plus, les ondes S ne sont plus enregistrées au-delà d'environ 105° : elles ne traversent pas le noyau, qui est donc liquide (au moins dans sa partie externe).