Introduction
La croûte terrestre, cette fine pellicule à la surface de notre planète, est le lieu de toute vie et de la plupart des phénomènes géologiques que nous observons. Cet article vise à définir et à explorer les caractéristiques de cette couche superficielle, en s'appuyant sur des données scientifiques récentes et des concepts clés.
I. Définition de la Couche Terrestre Superficielle
La croûte terrestre est la partie la plus externe et solide de la Terre. Elle est séparée du manteau sous-jacent par une discontinuité appelée "Moho" (discontinuité de Mohorovičić), qui indique une modification de la composition du milieu. Les roches du manteau sont appauvries en silicium et enrichies en fer et en magnésium par rapport à la croûte.
Épaisseur et Composition
L'épaisseur de la croûte terrestre varie considérablement. Sous les continents, elle atteint en moyenne 30 kilomètres, mais peut s'épaissir jusqu'à 70 kilomètres sous les chaînes de montagnes. Sous les océans, la croûte est beaucoup plus mince, avec une épaisseur d'environ 10 kilomètres.
La croûte terrestre est principalement constituée de roches solides, avec une prédominance d'oxydes. F. W. Clarke a calculé que 47% de la croûte terrestre est faite d'oxygène, présent principalement sous forme d'oxydes de silicium, d'aluminium, de fer, de calcium, de magnésium, de potassium et de sodium. La silice est le constituant majeur de la croûte sous forme de pyroxénoïdes, les minéraux les plus communs des roches magmatiques et métamorphiques. D'une manière générale, l'écorce terrestre est enrichie en silicates, c'est-à-dire en minéraux composés d'un assemblage d'atomes de silicium et d'atomes d'oxygène.
II. Les Deux Types de Croûte Terrestre : Océanique et Continentale
L'étude des reliefs positifs et négatifs de la Terre révèle une distribution bimodale des altitudes moyennes. On observe deux pics d'altitude moyenne : +100 m (altitude moyenne des continents) et -4 500 m (profondeur moyenne des océans). Cette distribution suggère qu'il existe deux croûtes de natures différentes : la croûte océanique et la croûte continentale.
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A. La Croûte Océanique
La croûte océanique forme essentiellement le fond des océans. Elle est relativement fine, mesurant entre 7 et 10 kilomètres d'épaisseur. Elle est principalement formée de basalte en couche supérieure et de gabbro en couche inférieure. La densité de la croûte océanique est d'environ 2,9. La croûte océanique a une durée d'existence ne dépassant pas 220 millions d'années, au terme de laquelle elle plonge dans le manteau terrestre au niveau des fosses de subduction avant d'y être recyclée.
- Basalte : Roche volcanique avec des microlites (microcristaux), principalement composée de feldspath, plagioclase et pyroxène dans une importante matrice de verre.
- Gabbro : Roche plutonique sombre, de texture grenue, principalement composée de feldspath, plagioclase, de pyroxène et d'olivine. Il a la même composition que le basalte, seule sa structure varie.
B. La Croûte Continentale
La croûte continentale forme essentiellement les continents. Certaines parties peuvent toutefois se trouver immergées sous des mers ou des océans, comme par exemple la plate-forme continentale. Elle est épaisse de 15 à 80 km, avec une moyenne de 30 km. Elle a une composition moyenne de roche granitique à dioritique (dite intermédiaire), de densité 2,7 à 2,8. La majeure partie est probablement constituée de gneiss.
En surface des continents, il existe une mince couche (à l'échelle du globe) de roches sédimentaires et métamorphiques, mais cette croûte continentale est essentiellement formée de granite. Outre des empilements de sédiments dans des bassins et de roches volcaniques reliées à un passé tectonique, l'essentiel de la croûte continentale est composé de longues ceintures déformées, composées de roches sédimentaires, de roches magmatiques et de roches métamorphiques riches en éléments légers (silicium, aluminium, potassium, etc.). Sa densité moyenne est de 2,3. Les roches trouvées provenant de la croûte continentale datent de 3700 millions d'années.
- Granite : Roche plutonique, de texture grenue, formée essentiellement de quartz, feldspath et mica.
III. Étude de la Structure Interne de la Terre et de la Croûte
Les études sismiques et thermiques jouent un rôle crucial dans la compréhension de la structure interne de la Terre et, par conséquent, de la croûte terrestre.
A. Les Études Sismiques
Un séisme résulte de la libération brutale d'énergie lors de rupture de roches soumises à des contraintes. Des ondes sismiques sont générées et se propagent dans toutes les directions. L'étude de ces ondes permet de comprendre la structure interne de la Terre.
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1. Les Séismes et les Ondes Sismiques
Les mouvements tectoniques imposent des contraintes très importantes sur les roches de la croûte terrestre. Lorsque ces contraintes s'accumulent de manière trop importante, les roches se brisent et des failles apparaissent, ou bien les roches se déplacent soudainement le long de failles existantes. Ces mouvements brusques s'accompagnent de la libération de l'énergie accumulée dans les roches. Cette énergie se transmet dans toutes les directions sous forme d'ondes sismiques.
Un séisme est formé de trois types d'ondes :
- Les ondes R (de Rayleigh) et L (de Love), qui sont des ondes de surface, destructrices, mais très peu utilisées pour les études sismiques.
- Les ondes P, ou ondes premières, qui sont des ondes rapides, se propageant dans les milieux solides et liquides. Leur vitesse diminue quand la densité du milieu diminue.
- Les ondes S, ou ondes secondes, qui sont moins rapides et ne traversent que des milieux solides.
2. Découvertes Grâce aux Ondes Sismiques
L'étude à la surface de la Terre de l'arrivée et du temps de propagation d'une ou plusieurs des ondes d'un séisme permet de comprendre la structure interne de la Terre, avec la découverte du Moho et la mise en évidence du manteau et du noyau. Ces informations ont permis l'établissement du modèle PREM (Preliminary Reference Earth Model).
- La découverte du Moho : L'étude des phénomènes de réflexion et réfraction des ondes sismiques a permis la découverte d'une discontinuité séparant la croûte du manteau : le Moho. Quand le milieu change, donc quand l'onde sismique circule dans des roches différentes, elle est réfractée ou réfléchie, ce qui entraîne une modification de sa trajectoire. L'interface entre ces deux milieux est une discontinuité.
- La mise en évidence du manteau et du noyau : L'étude des phénomènes de réfraction des ondes sismiques et de la zone d'ombre a permis la découverte des discontinuités séparant le manteau du noyau et le noyau externe et interne. En 1923, Beno Gutenberg a mis en évidence la zone d'ombre, qui est une zone ne recevant aucune onde sismique. Il met ainsi en évidence une discontinuité située à 2 900 kilomètres de la surface qui est appelée la discontinuité de Gutenberg et qui marque la limite entre le manteau inférieur et le noyau. La disparition des ondes S en dessous de cette discontinuité indique un milieu liquide : le noyau externe. Au centre se trouve la graine ou noyau interne, solide. La limite entre ces deux zones du noyau est la discontinuité de Lehmann, décrite en 1936 par Inge Lehmann.
- La découverte de la lithosphère et de l'asthénosphère : L'étude des variations de vitesse des ondes sismiques permet la découverte de la LVZ (Low Velocity Zone) qui est la discontinuité séparant la lithosphère de l'asthénosphère. La LVZ est une zone où la péridotite du manteau est en fusion partielle. Elle correspond à l'isotherme 1 300 °C. La comparaison des deux courbes dans les schémas indique que la lithosphère continentale est plus épaisse que la lithosphère océanique.
B. Les Études Thermiques
Les études thermiques renseignent sur la dynamique du manteau et la tectonique des plaques. Elles reposent sur le gradient géothermique et les mécanismes de transfert d'énergie thermique. Ces études permettent de mettre en lumière des anomalies par rapport au modèle PREM.
1. Le Gradient Géothermique
La température interne de la Terre croît avec la profondeur : c'est le gradient géothermique. Le gradient géothermique interne présente des différences suivant les enveloppes internes de la Terre. Il donne des informations concernant les modes de transfert de l'énergie thermique. Le gradient géothermique correspond à l'élévation de température en fonction d'une profondeur donnée (°C/km). Les mesures de température dans les mines et les forages profonds montrent que la température augmente de 3 °C tous les 100 mètres dans la croûte continentale. Ce gradient n'est pas aussi fort dans toutes les couches terrestres.
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2. Les Mécanismes de Transfert d'Énergie Thermique
Il existe deux mécanismes de transfert d'énergie thermique dans le sous-sol : la conduction et la convection. L'étude de ces transferts d'énergie permet d'en savoir davantage sur la structure interne de la planète.
- Conduction : Transfert de chaleur de proche en proche sans déplacement de matière. Ce transfert est peu efficace et entraîne un gradient géothermique important.
- Convection : Transfert de chaleur par déplacement des matériaux. La matière chaude, moins dense, s'élève, alors que la matière froide, plus dense, a tendance à descendre. La convection est possible dans les liquides ou les roches ductiles. Le transfert d'énergie est très efficace et entraîne un gradient géothermique faible.
3. Anomalies par Rapport au Modèle PREM
Les études de tomographie sismique révèlent des anomalies de vitesse des ondes sismiques par rapport au modèle PREM. Elles sont interprétées comme des hétérogénéités thermiques au sein du manteau. Ce sont les points chauds, les dorsales et les subductions. La tomographie sismique a permis de repérer des anomalies de vitesse des ondes sismiques par rapport au modèle théorique. Les principales anomalies identifiées sont : des anomalies de haute température constatées au niveau des dorsales et des points chauds et des anomalies de faible température constatées au niveau des zones de subduction.
IV. La Tectonique des Plaques et la Croûte Terrestre
La tectonique des plaques est un concept fondamental pour comprendre la dynamique de la croûte terrestre. La croûte est créée au niveau des dorsales océaniques. Les mouvements des plaques lithosphériques sont la cause principale des grandes modifications structurales affectant la croûte terrestre. Les séismes et le volcanisme sont les marqueurs de cette activité de la planète Terre. Les plaques tectoniques sont l’un des éléments principaux de la croûte océanique puisque c’est leur mouvement qui la produit. Ces plaques bougent à 2 500 km au fond des océans. Lorsqu’elles divergent (qu’elles s’écartent), elles créent des failles qui sont comblées par du magma, formant des dorsales océaniques. Ces chaînes montagneuses sous-marines peuvent atteindre 1 000 à 2 000 km de largeur et s’étendent sur une longueur totale de plus de 64 000 km. Certains de ces sommets affleurent à la surface de l’eau et forment des îles. C’est par ce phénomène que l’Islande et l’archipel portugais des Açores sont nés. Étant donné leur création, ces territoires sont constitués de roches volcaniques comme le basalte, le trachyte ou encore la lave.
V. La Croûte Terrestre dans la Structure Globale de la Terre
La planète Terre est constituée de plusieurs couches de roches solides, visqueuses ou liquides, aux propriétés différentes et complémentaires. Du noyau interne à la croûte continentale, chacun des trois types de couches a sa propre structure, son épaisseur et sa température.
Les cinq couches qui constituent la planète Terre peuvent être rassemblées en trois structures principales :
- Le noyau : Situé au centre de la Terre, il occupe 17 % de la planète. Formé de fer mélangé à un peu de nickel, c’est la partie la plus chaude du globe. Le noyau interne est l’élément le plus dense, et sa température peut dépasser 6 000 °C. On estime son épaisseur à 1 200 km. Quant au noyau externe, il a une forme liquide à cause de sa température de 3 800 °C. Cette couche est animée par des cellules de convection qui créent des courants électriques donnant naissance au champ magnétique terrestre.
- Le manteau : Il est constitué à la fois de roches solides (sous la croûte terrestre) et de roches en fusion (proches du noyau). Moins chaud que le centre de la Terre, il atteint tout de même les 1 000 °C et représente 81 % du volume de la planète. On distingue le manteau inférieur, qui est la partie la plus visqueuse, car formée de roches en fusion (appelées magma), et qui entoure le noyau ; et le manteau supérieur qui est essentiellement solide. Il est situé directement sous la croûte terrestre, et son épaisseur varie entre 550 et 700 km.
- La croûte terrestre : Il s’agit de la partie externe de la Terre, celle que l’on connaît le mieux puisque c’est là que les humains, la faune et la flore évoluent. Principalement constituée de roches solides, elle ne représente que 2 % du volume de la planète. Elle se divise elle aussi en deux parties superposées : la croûte continentale et la croûte océanique.
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