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La structure interne des planètes rocheuses : le cas de la Terre

Accrétion (protoplanète)
Accrétion (fonte du noyau)
Accrétion (océan de magma)
Accrétion (différentiation)

Un intérieur planétaire structuré en couches

Contrairement à ce que l'on pourrait penser, les planètes qui tournent autour du Soleil et qui possèdent une surface solide, comme Mercure, Vénus, la Terre ou Mars, ne sont pas simplement des sphères rocheuses uniformes. Si l'on pouvait trancher l'une des ces planètes avec un couteau de géant aux dimensions planétaires, on obtiendrait quelque chose de similaire à une pèche. Lorsque l'on tranche ce fruit, on peut observer une mince pellicule duveteuse, la peau, avec en dessous la pulpe, plus épaisse, et enfin un noyau dur. Les planètes telluriques ont une structure assez proche de ce modèle : en surface, une zone très fine que l'on appelle la croûte, qui laisse place en profondeur à une couche bien plus épaisse et plus chaude, le manteau. Au centre se trouve un noyau, qui peut-être solide, liquide, ou les deux.

Bien entendu, il est impossible de couper un astre comme on tranche un fruit. Comment savons-nous alors ce qui se cache dans les profondeurs de notre planète ? Sur Terre, le forage le plus profond, entrepris dans la péninsule de Kola en Russie, a permis à l'homme d'atteindre la profondeur respectable de 12 262 mètres, soit environ 12 km. En comparaison, le diamètre moyen du globe terrestre est de 12 742 km. Le forage de Kola n'a pénétré que de 0,2 % dans la sphère terrestre, et n'a même pas traversé la croûte continentale, dont l'épaisseur varie de 15 à 80 km. Malgré nos efforts, nous ne sommes donc parvenus qu'à égratigner à peine le globe terrestre.

Pourtant, les géophysiciens disposent d'une puissante technique d'investigation qui a permis au fil des décennies d'explorer l'intérieur de la Terre, et de déchiffrer sa structure : la sismologie.

La sismologie, ou comment visualiser l'intérieur d'une planète

À chaque fois qu'une onde sismique change de compartiment, par exemple lorsqu'elle passe de la croûte au manteau, ou du manteau au noyau, une partie de son énergie est transmise d'un compartiment à l'autre (on parle d'onde transmise) tandis qu'une autre "rebondit" sur la frontière qui les sépare (on parle d'onde réfléchie). Les proportions prises respectivement par ces deux types d'ondes dépendent des contrastes de structure entre les deux compartiments, et permettent d'identifier leurs limites, appelées interfaces.

De la même manière, s'il existe au sein d'un compartiment donné des discontinuités, c'est-à-dire si ce dernier n'est pas homogène, les ondes sismiques vont être pareillement affectées. Là aussi, les géophysiciens vont pouvoir préciser la structure d'un compartiment donné, par exemple l'existence de stratifications au sein de la croûte ou d'anomalies au niveau du manteau. Aujourd'hui, sur Terre, les avancées réalisées en géophysique sont telles que l'on peut par exemple réaliser des images de l'intérieur de la Terre, un peu comme des échographies. 

La structure interne de la Terre

En auscultant durant des décennies la manière dont les ondes sismiques naturellement émises par les tremblements de Terre se propagent au sein du Globe, les géophysiciens ont d'abord découvert l'existence des trois grandes enveloppes que nous avons évoquées plus haut (la croûte, le manteau et le noyau). Ils ont ensuite obtenu une vision très détaillée de l'intérieur du globe terrestre.

En surface se trouve la croûte, soit océanique, soit continentale. La croûte océanique, principalement formée de roches basaltiques surmontées de sédiments et qui forme le plancher des océans, est relativement fine : 6 à 11 kilomètres en moyenne. Au contraire, la croûte continentale, de nature granitique et qui forme l'ossature des continents, est plus épaisse : de 15 kilomètres à 80 kilomètres sous les chaînes de montagne, avec une moyenne de 30 kilomètres.

Vient ensuite le manteau, séparé de la croûte par une discontinuité découverte en 1909 par un pionnier de la sismologie, A. Mohorovicic, discontinuité que l'on appelle familièrement le moho en son honneur. Le manteau terrestre représente une portion invisible mais immense du volume de la Terre, puisqu'il se prolonge jusqu'à 2 900 kilomètres de profondeur, là ou se trouve sa limite avec le noyau. Il est composé de deux régions distinctes : le manteau supérieur, jusqu'à 660 kilomètres de profondeur, et le manteau inférieur sous-jacent.

Le manteau supérieur est lui-même découpé en deux compartiments : une partie solide, cassante, qui est accrochée à la croûte et qui forme avec cette dernière les fameuses plaques lithosphériques mobiles, et une partie malléable, qui s'étend jusqu'au manteau inférieur, et qui peut donc se déformer. Constitué de roches très riches en olivine, le manteau supérieur terrestre est animé de mouvements de convection, qui contribuent aux déplacements des plaques lithosphériques qu'il porte sur son dos.

Au niveau du manteau inférieur, la pression et la température, qui augmentent avec la profondeur, provoquent des modifications de la structure cristalline des minéraux, que les géophysiciens appellent changement de phase. L'une des transitions de phase les plus importantes intervient à la profondeur de 670 kilomètres, définie comme étant la limite entre le manteau supérieur et le manteau inférieur. A ce niveau l'olivine se transforme en se densifiant en pérovskite, avec des conséquences assez importantes, en particulier sur la viscosité, paramètre qui influence fortement la facilité avec laquelle la matière peut se déplacer (l'eau a ainsi une viscosité pratiquement nulle, comparée à du miel qui coule déjà moins facilement, mais qui reste quand même plus fluide que de la pâte à dentifrice).

La structure interne de la Terre (© Adobe Stock).La structure interne de la Terre : notre planète est découpée en trois enveloppes : la croûte, le manteau et le noyau. Ce dernier possède une partie externe liquide et une partie interne solide, la graine (© Adobe Stock).

En-dessous du manteau se trouve enfin le noyau, séparé du manteau par la discontinuité de Gutenberg. Avec un rayon moyen de 3470 kilomètres, il est lui aussi composé de deux parties. La plus externe est liquide et s'étend entre 2900 kilomètres et  5100 kilomètres de profondeur. À ce niveau se trouve la discontinuité de Lehmann, qui sépare le noyau externe liquide de la graine, coeur solide du noyau qui occupe véritablement le centre de notre planète, de 5100 kilomètres à 6371 kilomètres sous la surface.

La mise en place de la structure interne : accrétion et différentiation

Pour mieux comprendre la composition et les propriétés des compartiments qui constituent les planètes, le plus intéressant est de remonter à leur origine. Car les planètes acquièrent très tôt dans leur histoire leur structure interne, et celle-ci se met en place lors d'un processus que l'on nomme la différentiation, et dont certains aspects restent énigmatiques.

Notre système solaire, qui englobe le Soleil ainsi que le cortège de planètes qui orbitent autour, est né il y a environ 4,5 milliards d'années, suite à la contraction sur lui-même d'un immense nuage interstellaire de gaz et de poussière. Le centre de ce nuage est occupé par l'étoile, tandis que les planètes se forment à sa périphérie, à l'intérieur d'un disque d'accrétion.

Le disque d'accrétion peut être comparé à une sorte de chaudron infernal, d'où les planètes vont sortir. Il est composé d'un mélange de gaz où circulent dans toutes les directions des grumeaux de matière, métal, roche ou glace. D'innombrables collisions ont lieu, ce qui permet à certains grumeaux de grossir, tandis que d'autres sont pulvérisés en particules plus petites.

À cause de leur gravité plus importante, les fragments plus volumineux ont plus de chance d'attirer vers eux d'autres grumeaux, ce qui augmente en retour leur taille, et donc à nouveau leur puissance d'attraction. Ils vont finir par former ce que les planétologues appellent des planétésimaux, sortes d'astéroïdes imposants, qui vont servir de briques de base pour la formation des planètes. Toujours soumis à d'incessantes collisions au sein du disque d'accrétion, les planétésimaux vont s'agglomérer entre eux et former des protoplanètes. Autour de la jeune étoile, des boules de matière chauffées à blanc viennent alors d'apparaître. Parmi elles, la Terre et Mars.

Vue d'artiste du processus d'accrétion (© Adobe Stock).Vue d'artiste du processus d'accrétion (© Adobe Stock).

En surface et en profondeur, les températures sont telles qu'une bonne partie des matériaux ayant servi à l'assemblage du corps planétaire est fondue. Les métaux sont devenus liquides, les roches existent à l'état de magma bouillant, tandis que les éléments les plus légers et volatils, comme l'eau, partent dans l'espace sous forme de vapeurs brûlantes, sans pouvoir s'accumuler ou rester sur place.

À ce stade, un processus fondamental pour l'avenir de la planète va avoir lieu : c'est la différentiation. Lorsqu'il sera terminé, l'astre aura acquis une structure interne, qui va décider de son évolution.

Dans le processus de différentiation, les différents éléments qui constituent la planète vont se séparer les uns des autres en fonction de leur nature. Le fer, présent en grandes quantités, va tomber au centre des planètes telluriques à cause de son poids, entraînant avec lui d'autres éléments comme le nickel et le soufre, pour former un noyau métallique.

Des composés plus légers que les métaux, les silicates (qui rentrent de façon majoritaire dans la composition des roches) vont se combiner avec d'autres atomes, comme le sodium ou le potassium, pour former une écume de roche qui va rester en surface, puis se figer sous l'effet du refroidissement en une couche assez fine : c'est la croûte.

Entre la croûte et le noyau va subsister une enveloppe assez épaisse, composée de silicates qui vont cette fois ci s'unir avec des éléments comme le magnésium et le fer pour former le manteau.

Enfin, les éléments gazeux, très volatils, vont s'échapper par les fractures zébrant la croûte et se rassembler autour de la planète pour donner naissance à une atmosphère plus ou moins épaisse et, potentiellement, des couches aqueuses (glacées et/ou liquides) si les conditions de pression et de température le permettent. La planète ne pourra garder autour d'elle son atmosphère que si sa masse, et donc sa gravité, est suffisante. Si ce n'est pas le cas, l'atmosphère se dissipera facilement, et de manière irréversible, dans l'espace.

Le processus de différentiation est assez semblable à ce qui se passe dans un haut-fourneau, que l'on remplit de minerais bruts avec pour objectif de les transformer en métaux purs. Prenons l'exemple d'un haut-fourneau situé à proximité d'une mine de fer. Le ventre du fourneau est rempli avec un minerai de fer, composé d'oxydes de fer et d'autres impuretés, et d'une sorte de charbon, le coke. L'ensemble est alors chauffé à des températures permettant la liquéfaction du mélange. L'apparition de fer pur, qui, à cause de son poids, s'accumule au fond du creuset, forme la fonte, similaire au noyau. Les éléments plus légers que le fer, les silicates, vont constituer une sorte d'écume qui va rester en surface, et que l'on appelle le laitier. Celui-ci rappelle la croûte. Enfin, les gaz vont s'échapper en sifflant vers le haut, comme ceux de l'atmosphère.

La structure interne décide de l'évolution d'une planète

A l'issue du processus de différentiation, une planète tellurique donnée possède donc un noyau, un manteau, une croûte, ainsi qu'éventuellement des couches aqueuses et une atmosphère. Ces grandes enveloppes sont absolument fondamentales, car ensemble, elles vont décider du destin des planètes. Si, après 4,5 milliards d'années d'existence, la Terre est toujours une planète vivante, aussi bien d'un point de vue géologique que biologique, c'est grâce à sa structure interne.

L'activité géologique terrestre est effectivement variée et intense : disséminés sur la planète, les volcans crachent des flots de lave rouge et des nuages de cendres. Les tremblements de terre font trembler les villes et leurs habitants, certaines montagnes continuent de s'élever tandis que d'autres sont grattées par l'érosion et finissent en grains de sable sur les plages.

La tectonique des plaques

Le dynamisme géologique débridé de la Terre est lié à un phénomène imperceptible mais essentiel : la tectonique des plaques.

Très tôt dans l'histoire de notre planète, l'importante activité convective qui règne dans le manteau a eu pour effet de fragmenter la surface du globe en une dizaine de grandes plaques lithosphériques, qui ne cessent depuis de se déplacer les unes par rapport aux autres, soit en s'écartant, soit en rentrant en collision, soit encore en glissant latéralement, avec plus ou moins de friction. Le coulissage rugueux des plaques les unes contre les autres sont à l'origine des tremblements de Terre. L'écartement des plaques ouvre des dépressions au sein desquelles s'installent des mers et des océans, et quand ces mêmes plaques finissent par se rapprocher comme des mâchoires avant de rentrer en collision, ces mêmes mers et océans disparaissent, laissant place à des bourrelets cicatriciels que l'on appelle chaînes de montagne.

Sur des échelles très longues, des centaines de millions d'années, le jeu de la tectonique des plaques a une conséquence étonnante : l'apparition de cycles à longue période, dit de Wilson. Au cours de ces cycles, des terres émergées s'assemblent en un supercontinent, entouré par un gigantesque océan unique. Tiraillé de toutes parts, le super-continent finit par se disloquer en une multitude de fragments mobiles, qui vont se disséminer tout autour de la planète, avant de se rapprocher inévitablement à nouveau, pour finalement fusionner entre eux. Et ce grand ballet géologique, qui reconfigure en permanence, lentement mais inéluctablement, le visage de la planète, recommence encore et encore.

Ainsi, contrairement à ce que l'on pourrait croire, les planisphères actuels, dressés à grand renfort d'exploration, ne représentent en fait qu'un instant dans la vie de la Terre, et à l'échelle des cycles de Wilson, nos cartes géographiques ne sont valables qu'un  court instant. La Terre avait un aspect très différent il y a des centaines de millions d'années, et dans un avenir lointain, le contour des océans et des continents n'aura plus rien à voir avec ce que l'on connaît.

La tectonique de plaques sur Terre (© Adobe Stock).La tectonique de plaques traduit l'activité géologique incessante de la Terre (© Adobe Stock)..

La tectonique des plaques a d'autres conséquences plus importantes encore. Son existence a ainsi doté la Terre de deux types de croûte, que nous avons déjà évoqués plus haut : la croûte océanique, qui supporte les océans et qui est assez fine, et la croûte continentale plus épaisse, sur laquelle nous vivons. Même si cela n'est qu'une hypothèse, il est probable que la vie ne pourrait pas se développer et évoluer de la même manière sur une planète océan (qui ne posséderait pas de continents), ou sur une planète entièrement continentale (sans surface liquide). Notre Terre a eu la chance de posséder les deux, continents et océans, et cette caractéristique a sans doute joué un rôle non négligeable dans sa capacité à accueillir puis à permettre le développement du vivant.

De la même manière, au niveau des zones de subduction où les plaques replongent vers l'intérieur de la Terre, la tectonique des plaques permet un recyclage des éléments volatils, en particulier l'eau. Cet élément ayant la propriété d'abaisser la température de fusion des roches, le cycle continuel de l'eau entre l'intérieur et l'extérieur de la planète apparaît essentiel pour entretenir l'activité volcanique.

L'activité volcanique, qui sur Terre est principalement liée à la tectonique des plaques (la très grande majorité des édifices volcaniques sont situés aux limites entre les plaques lithosphériques) a permis entre autre à notre planète de s'entourer d'une atmosphère persistante. Or cette couche de gaz est directement responsable des températures régnant en surface. Selon son épaisseur et sa composition, en particulier la présence de composés gazeux à effets de serre, capables de retenir la chaleur, elle va effectivement contrôler les températures au sol. Si elle est absente ou trop fine, la planète est globalement très froide, c'est le cas de la Lune ou de Mars. Au contraire, trop épaisse, elle peut transformer un monde en un enfer étouffant, c'est le cas de Vénus. Là encore, la corrélation avec la capacité à supporter la vie est marquante.

Tout semble donc indiquer que si le mécanisme de tectonique des plaques ne s'était pas enclenché sur Terre, notre monde serait bien différent de ce qu'il est actuellement, et il est fort probable que nous ne serions pas là pour en parler.

Le champ magnétique ; une protection contre les dangers cosmiques

Une aurore boréale sur Terre : au niveau des pôles, les particules énergétiques du vent solaire excitent l'atmosphère terrestre en donnant naissance à des phénomènes lumineux magnifiques (© droits réservés)Une aurore boréale sur Terre : au niveau des pôles, les particules énergétiques du vent solaire excitent l'atmosphère terrestre en donnant naissance à des phénomènes lumineux magnifiques (© Creative Commons).La vigueur géologique d'une planète alimente également un autre phénomène, essentiel pour toutes les formes de vie. Dans les profondeurs de la Terre, le métal en fusion du noyau est animé de mouvements complexes de convection, qui donnent naissance à un champ magnétique global.

Totalement invisible à moins d'avoir une boussole ou d'avoir la chance d'assister au spectacle émouvant d'une aurore boréale, ce champ magnétique entoure la planète dans une trame invisible de lignes de force et nous permet de vaquer à nos occupations, sans nous soucier de dangers extérieurs insoupçonnés.

Tel un bouclier, le champ magnétique terrestre joue un rôle essentiel en déviant des flux de particules très énergétiques émises par le Soleil ou provenant des profondeurs de notre galaxie, la Voie Lactée. Si elles n'étaient pas déviées par un champ magnétique, ces radiations pourraient facilement abraser l'atmosphère à la manière d'une râpe et finir par la faire disparaître dans l'espace. Elles pourraient également causer des dommages majeurs aux éventuelles formes de vie évoluant en surface.

Vers une compréhension du destin de la planète Mars

La connaissance de la structure interne de Mars pourrait paraître être un exercice purement académique, du moins jusqu'à ce que l'on compare la planète rouge à la Terre.

Car lorsque l'on procède à cet exercice, on ne peut pas manquer d'être frappé par la différence de destinée de ces deux astres, qui au départ avaient les mêmes potentialités. Effectivement, comme nous l'avons vu, il y a environ 4,5 milliards d'années, Mars et la Terre sont sorties d'un secteur à peu près identique du disque d'accrétion. En première approximation, les deux planètes se sont assemblées dans les mêmes conditions, et à partir du même stock de matériel de construction.

Véritable paradis au sein des abîmes hostiles et glacés du cosmos, la Terre a su accueillir la vie et permettre son développement au cours de plusieurs milliards d'années. En comparaison, la vision que renvoie la planète rouge aujourd'hui est inquiétante et menaçante. Mars ne possède plus aucun champ magnétique, et avec une pression atmosphérique presque 200 fois inférieure à la pression terrestre, la mince couche d'air qui entoure la planète ne peut plus grand chose pour réchauffer la surface. Au sol, les conditions sont glaciales, avec une température moyenne de -53°C.

Si les édifices volcaniques majestueux de la planète rouge sont là pour rappeler un passé glorieux, tous semblent éteints et à ce jour, aucune sonde n'a surpris la plus petite coulée de lave, ou la plus infime activité hydrothermale. Enfin, si une tectonique de plaques s'est enclenchée peu après la formation de la planète, un sujet vigoureusement débattu parmi les spécialistes, elle a cessé peu après, et ,contrairement à la Terre, la lithosphère de Mars n'est donc pas découpée en plaques mobiles, mais forme une seule et unique coque rocheuse très épaisse, en dessous de laquelle se trouve le manteau et le noyau.

Pourquoi de tels différences ? Pourquoi Mars, qui avait le potentiel pour devenir une seconde Terre et accueillir une autre genèse, n'est t-elle plus qu'un astre désolé et stérile ? La réponse est dans les profondeurs de Mars, et ce sera à la sonde InSight de le découvrir.

Dernière mise à jour : 14 août 2017

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