Structura internă a Pământului se referă la distribuția interiorului Pământului în plicuri cuibărite: în principal scoarța pământului , mantaua și miezul , conform modelului geologic actual, care încearcă să descrie proprietățile și comportamentele acestora în timpul perioadelor geologice.
Aceste straturi sunt delimitate de discontinuități , care pot fi identificate folosind seismologia . Acest lucru a făcut posibilă determinarea stării materiei la adâncimi inaccesibile.
Această constituție poate fi înțeleasă revenind la formarea Pământului prin acumulare de planetesimale , dintre care meteoritii primitivi, sau condritele , constituie memoria. Diferitele straturi au fost apoi plasate mai mult sau mai puțin treptat sub influența diferiților parametri fizici, cum ar fi densitatea și reologia diferitelor faze care constituie materiile prime, precum și afinitățile chimice ale elementelor pentru diferitele faze minerale. , c adică diferențierea chimică .
Crusta terestră reprezintă aproximativ 1,5% din volumul Pământului solid, 4,4 ‰ din masa Pământului și 6,5 ‰ din masa silicatului Pământului (Pământul fără miezul metalic).
crusta continentalăCrusta continentală (1) este solidă, în principal granitică și acoperită pe alocuri de roci sedimentare. Este mai groasă decât scoarța oceanică (de la 30 km la 100 km sub lanțuri montane).
crustă oceanicăCrusta oceanică (2) este solidă și este compusă în principal din roci bazaltice . Relativ bine (aproximativ 5 km).
PaltonMantia totală a Pământului reprezintă 84% din volumul Pământului. Discontinuitatea Mohorovicic (14) marchează tranziția între crusta și manta.
Mantaua pământului este mai puțin „rigidă” decât celelalte straturi, fără a fi lichidă (așa cum ar putea sugera fluxurile de lavă ). Pentru a ne face o idee, vâscozitatea mantalei pentru roca din care este formată este comparabilă cu vâscozitatea gheții (cum ar fi cea care curge în ghețari) pentru apă.
Cu toate acestea, haina rămâne puternică. Într-adevăr, la adâncimi mari ale mantalei, efectul de presiune (menținerea stării solide) este mai mare decât efectul de temperatură (provocând fuziunea).
Pe de altă parte, atunci când efectele se aplică în direcția opusă, de exemplu, în timpul unei creșteri suficient de rapide, materialele mantalei cresc (și, prin urmare, se depresurizează) mai repede decât permite echilibrarea termică prin difuzia căldurii transportate: aceasta se numește o creștere adiabatică . Astfel, materialul își poate trece punctul de topire de pornire și poate începe să dea naștere unei magme primare. Acest lucru se întâmplă direct deasupra crestelor la o adâncime de aproximativ 100 km.
Palton superiorMantaua superioară (4) este mai puțin vâscoasă și mai ductilă decât mantaua inferioară: constrângerile fizice care prevalează acolo o fac parțial plastică . Se formează în principal din roci precum peridotita .
Mantaua inferioarăMantia inferioară (6) are proprietăți solide la scări de timp mai mici de un an, iar plasticul la scări de timp mai mari de un secol.
În mantaua inferioară, celulele de convecție a mantei (10) sunt materie care se mișcă încet. Într-adevăr, haina este sediul convecției curenților care transferă cea mai mare parte a energiei termice a miezului Pământului la suprafață. Acești curenți provoacă derivă continentală , dar caracteristicile lor precise (viteza, amplitudinea, locația) sunt încă puțin înțelese.
MiezulNucleul, care se poate distinge între nucleul extern și cel intern, reprezintă 15% din volumul pământului. Discontinuitatea Gutenberg (13) marchează tranziția între manta și miez.
Învelișul exteriorMiezul exterior (8) este lichid. Este în esență compus din 80-85% fier, aproximativ 10-12% dintr-un element ușor nedeterminat încă între sulf, oxigen, siliciu și carbon (sau un amestec din cele patru) și, în cele din urmă, de ordinul 5% nichel. Vâscozitatea sa este estimată între 1 și 100 de ori mai mare decât cea a apei, temperatura sa medie atinge 4000 de grade Celsius și densitatea sa este de 10.
Această cantitate uriașă de metal topit este agitată prin convecție. Aceasta este , în principal prin convecție termică (secular de răcire a planetei), iar pentru o parte mai mică din cauza compoziției nucleului (separare, separare în straturi a fazelor ).
Mișcările miezului exterior interacționează cu mișcările Pământului: în principal rotația sa zilnică , dar și pe o scară mai lungă de timp precesiunea sa .
Natura conductivă a fierului permite dezvoltarea unor curenți electrici variabili care dau naștere câmpurilor magnetice , care întăresc acești curenți, creând astfel un efect de dinam , prin susținerea reciprocă. Astfel, explicăm că miezul lichid se află la originea câmpului magnetic al pământului . Sursa de energie necesară pentru menținerea acestui dinam se află cel mai probabil în căldura latentă de cristalizare a sămânței.
Miez interiorMiezul interior (9), numit și sămânță, este o minge solidă. Este esențial metalic (aproximativ 80% aliaje de fier și 20% nichel) și format prin cristalizarea treptată a miezului exterior. Presiunea, care este de 3,5 milioane de bari (350 gigapascali), o menține într-o stare solidă în ciuda unei temperaturi de peste 6000 ° C și a unei densități de aproximativ 13. Discontinuitatea Lehmann marchează tranziția între miezul exterior și miezul interior.
Nucleul interior este încă un subiect activ al cercetării geologice. Diferite observații sugerează că nucleul interior este în mișcare. Natura sa exactă rămâne deschisă dezbaterii.
Litosferei (11) este format din crusta și o parte din mantaua superioară. Este împărțit în plăci tectonice sau litosferice. Limita inferioară a litosferei se află la o adâncime cuprinsă între 100 și 200 de kilometri, la limita în care peridotitele se apropie de punctul lor de topire. Include discontinuitatea Mohorovicic (14).
AstenosferaAstenosfera (12) este zona de sub litosferă.
Inclus în astenosferă, la baza litosferei, este o zonă numită LVZ ( viteză redusă Zona ) , în cazul în care există o scădere a vitezei și o atenuare marcată a P și S undelor seismice . Acest fenomen se datorează fuziunii parțiale a peridotitelor care are ca rezultat o fluiditate mai mare. LVZ nu este în general prezent sub rădăcinile lanțurilor montane din scoarța continentală. Unii geologi includ LVZ în litosferă.
Zona de subducțieO zonă de subducție (3) este o placă care se scufundă în manta, uneori până la câteva sute de kilometri. Este locul activității seismice și vulcanice.
Puncte fierbințiAșa-numitul vulcanism „punct fierbinte” (5) este cel mai profund vulcanism activ. Este vorba de vulcani a căror magmă provine din adâncimile mantalei aproape de limita cu miezul lichid. Prin urmare, acești vulcani nu ar fi legați de plăcile tectonice și, prin urmare, nu urmează mișcările scoarței terestre, ar fi aproape imobile pe suprafața globului și ar forma arhipelagurile unor insule precum Tahiti .
Vulcanismul hotspot este produs de un panou de material mai cald (7) care, pornind de la limita cu nucleul, se topește parțial când ajunge lângă suprafața Pământului.
Plic | Adâncime km |
Densitate g / cm 3 |
Petrografie dominantă | Elemente chimice |
---|---|---|---|---|
Crusta oceanica continentala |
0 - 35 0 - 10 |
2,7 - 3,0 2,9 - 3,2 |
Granit și gneis Bazalt, gabro și peridotit |
Si și Al Si, Al și Mg |
Manta litosferică superioară și zona de tranziție a astenosferei |
35/10 - 670 35/10 - 400 400 - 670 |
3.4 - 4.4 |
Olivina , piroxeni și granat Wadsleyite → Ringwoodite și Garnet |
Si, Mg și Ca |
Mantaua inferioară | 670 - 2890 | 4.4 - 5.6 | Perovskit și Ferropericlază | Si, Mg, Fe și Ca |
Învelișul exterior | 2890 - 5100 | 9.9 - 12.2 | - | Fe, Ni și S (stare lichidă) |
Miez interior | 5100 - 6378 | 12,8 - 13,1 | - | Fe, Ni și S (stare solidă) |
Căldura internă a Pământului este produsă de radioactivitatea naturală a rocilor prin decăderea uraniului , torului și potasiului . Studiile estimează că contribuția radioactivității crustale și a mantalei reprezintă aproximativ jumătate din energia totală eliberată, cea a căldurii primordiale transmise de la miezul Pământului la manta fiind estimată la 10 și până la 20%.
La nivel global, temperatura crește cu apropierea de centrul Pământului . Ca o indicație, variază între 1100 ° C la baza scoarței continentale până la probabil 5100 ° C în miez.
Temperaturile nu pot fi măsurate riguros: sunt aproximative, marja de eroare crescând cu adâncimea.
De la o adâncime de 2900 km, unde presiunea începe să depășească 1 milion de atmosfere sau 100 gigapascali, căldura internă joacă cel puțin două roluri majore:
Folosind înregistrările mai multor seismografe , determinăm experimental după un cutremur poziția epicentrului său cât mai precis posibil. Vibrațiile care se propagă apoi pe întregul glob sunt înregistrate în mod similar.
Aceste fenomene de undă sunt supuse unor legi fizice precum reflectarea sau refracția . Prin analogie, undele seismice „se comportă” ca niște raze de lumină. Astfel, prin aplicarea legilor refracției Snell-Descartes , deducem că acestea nu se mișcă toate cu aceeași viteză în funcție de mediul prin care trec.
Examinarea atentă a curbelor timpului luate în funcție de distanța parcursă de unde permite apoi evaluarea conținutului Pământului: o undă va merge mai încet într-un material mai moale ( densitate mai mică) și mai rapid într-un mai mult material.dur ( densitate mai mare).
Tipuri de valuriTrebuie remarcat faptul că undele studiate în tomografia seismică sunt undele de fond care traversează globul terestru în toate direcțiile. Undele de suprafață, care provoacă daune construcțiilor umane, se propagă numai în scoarță și nu oferă informații despre straturile profunde.
Undele sunt de două tipuri: P și S. Anumite valuri ajung rapid: sunt undele P (ca First); altele sunt întârziate și sunt înregistrate mai târziu: acestea sunt unde S (ca Secunde).
Cele undele P sunt vibrații care acționează în compresiune: particulele se mișcă în direcția de propagare a undei, un pic ca un arc. Aceste unde de compresie se propagă prin solide, lichide și gaze. | |
Cele valuri S sunt valuri de forfecare: particulele se mișcă perpendicular pe direcția de propagare a undei, un pic ca un leagăn pe o frânghie. Aceste unde de forfecare se propagă în solide, dar nu în medii lichide sau gazoase. |
Când o undă P ajunge non-perpendicular pe o zonă de tranziție (de exemplu, interfața manta-nucleu), o mică parte a energiei sale este convertită într-o altă formă de undă (o fracțiune din P devine apoi S). Interpretarea citirilor seismografice este, prin urmare, dificilă, deoarece se suprapun comploturile multor tipuri de unde care trebuie dezlegate și a căror origine trebuie explicată.
Toate aceste unde sunt desemnate prin litere diferite care pot fi apoi combinate pe măsură ce evoluează (vezi tabelul de mai jos).
p val | Valul S | |
---|---|---|
palton | P | S |
învelișul exterior | K | - |
miez interior | Eu | J |
Astfel, o undă PP este o undă P care, după ce a suferit o reflecție pe suprafața globului terestru, a rămas în manta înainte de a reapărea pe suprafața unde este detectată. O undă PKP este o undă P care apare la suprafață după ce a traversat miezul exterior lichid (cale = manta / miez exterior / manta).
Numele poate fi prelungit cât este necesar. De exemplu, o undă aproape verticală care traversează globul terestru imediat după ce a revenit la suprafață și a trecut de două ori (pentru a merge și a reveni) prin nucleu și sămânță și, în cele din urmă, reaparând la suprafață, va fi numită PKIKPPKIKP.
DiscontinuitățiUrmând principiul că, de îndată ce viteza unei unde seismice se schimbă brusc și semnificativ, aceasta înseamnă că există o schimbare a mediului, s- ar putea stabili diferitele straturi separate prin discontinuități .
Studiul magnetismuluiSub efectul rotației sale și al mișcărilor interne ale metalelor topite din miezul său , Pământul se comportă ca un fel de dinam , din care rezultă un câmp magnetic . Acest lucru nu este foarte important în comparație cu magneții industriali , dar este suficient pentru a devia acul unei busole și a proteja parțial suprafața pământului de razele cosmice , cum ar fi vânturile solare , care altfel ar perturba dispozitivele electronice.
Acest câmp variază în timp. În viața Pământului, a fost chiar inversat de sute de ori , din motive încă necunoscute, dar care ocupă o cercetare activă. Acest lucru nu a făcut încă posibilă demonstrarea unui efect de dinam într-o sferă care se rotește lent, dar a arătat formarea coloanelor de convecție la anumite temperaturi în funcție de vâscozitatea fluidelor și de viteza de rotație. Aceste mișcări sunt aparent compatibile cu ceea ce știm despre câmpul electromagnetic al Pământului.
Studiul meteorițilorPentru a înțelege cum s-au diferențiat treptat straturile succesive ale Pământului, este util să cunoaștem compoziția exactă a materialului primitiv care l-a dat naștere.
Elementele sale esențiale sunt fierul , nichelul și silicații . Aceste elemente (și multe altele) se găsesc într-un tip de meteorit numit condrite . Conțin mici zone sferice de silicați solidificați după fuziune, condrule, al căror nume se află la originea numelui acestor meteoriți.
Unele dintre ele, precum condrita Allende , conțin un amestec de fier metalic și oxid de fier, precum și o cantitate mare de carbon. Altele, cum ar fi Indarch lui chondritis , fier metalic și enstatit , un silicat de magneziu (MgSiO 3 ) extrem de comun în mantaua pământului. Cele mai primitive meteoriti cărbunoase CI arată fier complet oxidat. Compoziția lor este foarte asemănătoare cu nebuloasa gazoasă care a dat naștere sistemului solar în urmă cu aproximativ 4,57 miliarde de ani și cu Pământul cu 4,45 miliarde de ani în urmă.
Dintre toate aceste condrite , doar cele care conțin 45% enstatită au o compoziție chimică și izotopică în conformitate cu densitatea de curent și natura Pământului (mai multe straturi de silicați ușori și un nucleu unde au migrat metalele mai grele). Acești meteoriți sunt mult prea mici pentru a fi diferențiați: elementele lor au rămas relativ omogen distribuite.
Explorarea umană a inimii Pământului este supusă multor vise și fantezii, așa cum este ilustrat în romanul Călătorie către centrul pământului de Jules Verne .
De fapt, în 1956 la Gouffre Berger , în masivul Vercors ( Isère ), a fost atinsă pentru prima dată adâncimea simbolică de –1.000 de metri. În 2005 , adâncimea spectaculoasă de –2000 de metri a fost depășită de speologii din Krubera-Voronja (fosta prăpastie a Voronja), în Caucazul de Vest (Abhazia).
În plus, varietatea terenului explorat în mine este mult mai mare decât întinderea rocilor sedimentare traversate de speologi, iar terenul exploatat este mult mai vechi. Frecțiunile minore în fiecare zi fenomenul de creștere a temperaturii din secolul al XVIII- lea influențează presupunerile unui glob din inimă topit. Cu toate acestea, chiar și cele mai adânci mine din lume (~ 3 500m pentru Tau Tona din Africa de Sud în 2002) zgârie doar scoarța terestră.
Simpla explorare umană nu este suficientă pentru a înțelege conținutul profund al globului. Dincolo de doi kilometri, este necesară explorarea indirectă.
Foraj profundObiectivul forajului profund este de a înțelege mai bine litosfera și de a ajunge la zona de tranziție dintre aceasta și mantaua superioară: Moho .
Două exemple: programul KTB ( Kontinental Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik ), care a ajuns la 9.800 de metri sub Germania și forajul de 12.600 de metri sg3 din Peninsula Kola (Rusia), care a durat din 1970 până în 1989. În acel moment. temperatura a fost de 180 ° C, în timp ce ne așteptam la o temperatură mai mare de 200 ° C. Gradientul geotermic de 1 ° C / 60 m (temperatura crește cu adâncimea medie de 1 ° C la fiecare 60 m) este de două ori mai mică decât cea măsurată de majoritatea forajelor.
În timp ce aceste găuri au confirmat structura și compoziția scoarței sau au trasat profiluri seismice regionale, ele nu se extind dincolo de scoarța terestră , care nu reprezintă nici măcar pielea unei portocalii scalate a planetei.
Crusta oceanică fiind mai subțire decât plăcile continentale, au apărut mai multe proiecte de foraj oceanic, MOHOLE apoi DSP (1968-1983) în Statele Unite, apoi programe internaționale precum ODP (1985-2003) și IODP (2003-2013). Până în prezent, nicio navă nu a reușit încă să foreze până la discontinuitatea Mohorovičić .
Studiul geoneutrinilor rezultat din dezintegrări radioactive ale uraniului 238 , uraniului 235 , toriului 232 și potasiului 40 oferă informații despre căldura generată în interiorul Pământului: aproximativ 40 TW . Această valoare este în concordanță cu cele obținute prin alte metode.
Neutrini atmosfericiStudiul neutrinilor atmosferici care traversează Pământul face posibilă sondarea straturilor sale interne și astfel deducerea densității și a masei diferitelor straturi.
Încă din Antichitate, mulți au încercat să explice constituția internă a globului nostru: matematicieni, filosofi, teologi și mai târziu naturaliști, fizicieni și geologi. Unii dintre acești intelectuali au încercat să se țină de viziunea terenului (relief, vulcani, cutremure), alții au dorit să încorporeze în modelul lor o explicație a textelor biblice (potopul); exhaustivitatea acestui recensământ este dificil de realizat.
Aristotel ( IV - lea secol ien. ) Setează o definiție timpurie a formării pământului. Pentru el, Pământul este format din pământ și rocă înconjurat de apă și apoi de aer. Apoi vine un strat de foc și stelele. Până la Copernic această viziune se va schimba puțin.
Dar , în mijlocul XVII E secolul o abundenta de noi idei apare. În 1644 , René Descartes din Principiile filosofiei prezintă Pământul ca un soare antic care a păstrat un nucleu de tip solar, dar ale cărui straturi exterioare au evoluat. Mai multe straturi se succed din centru: stâncă, apă, aer și în cele din urmă o crustă exterioară în echilibru pe acest aer. Această crustă ruptă a format formele de relief și a permis trecerea apei din adâncurile care au format mările și oceanele. În același timp, Athanasius Kircher postulează, de asemenea, că globul terestru este o stea răcită, dar că conține sub crustă un material topit care uneori scapă din centru prin vulcani.
La sfârșitul XVII - lea și în timpul XVIII - lea secol , o mulțime de ipoteze sunt făcute. William Whiston sugerează un Pământ dintr-o cometă străveche. John Woodward și Thomas Burnet propun un Pământ care a fost compus dintr-un amestec fluid care a fost depus de gravitație în timp. Edmund Halley proiectează un pământ gol cu mai multe cochilii concentrice și un miez magnetic, separate printr-un vid. Henri Gautier se gândește la un Pământ total gol, în care coaja subțire exterioară este în echilibru între gravitație și forța centrifugă.
Odată cu apariția geologiei , teoriile trebuie să fie în concordanță cu observația și măsurătorile geofizice.
Influența redusă a maselor montane asupra gravitației locale tinde să demonstreze că Pământul nu este gol, invalidând ipotezele anterioare. Din secolul al XVIII- lea , ușoara aplatizare a globului la poli și natura igneoasă a anumitor roci l-au determinat pe Georges de Buffon să spună că Pământul era în fuziune la originea sa.
În secolul al XIX- lea , măsurarea creșterii regulate a temperaturii cu adâncimea în mine (1 ° C pentru 25 de metri) i-a determinat pe Joseph Fourier și Louis Cordier să extrapoleze și să deducă că centrul planetei noastre este topit la o temperatură de câteva mii. grade. Originea acestei temperaturi este încă incertă: nu știm dacă este o rămășiță a căldurii originale stocate pe un glob terestru în procesul de răcire sau dacă s-ar putea să fi existat o creștere a temperaturii. fenomene chimice. În plus, această căldură ar putea fi suficient de intensă astfel încât toată materia internă să fie gazoasă dincolo de o anumită adâncime.
Pentru William Hopkins , variația punctului de topire a rocilor în funcție de presiune înclină încă o dată balanța în favoarea unui miez solid.
Conform lui Lord Kelvin , nivelul foarte scăzut al mișcărilor solului mareelor (evaluate prin comparație cu măsurarea precisă a mareelor oceanice) susține un glob cu proprietățile unui solid elastic și nu al unui fluid. Modelul său necesită o parte centrală rigidă pentru a explica deformarea cauzată de maree (perioadă de 14 zile).
În timpul XX - lea secol, tomografia seismică , câștigător de precizie, permite de a face mai multe descoperiri importante.
În același timp, din 1923 până în 1952 , alți geofizicieni ( Adams , Williamson , Bullen , Birch ...) au lucrat la ecuații făcând posibilă determinarea variației densității cu adâncimea și presiunea pe care o generează.
În plus, analiza compoziției rocilor terestre și meteoritice, precum și măsurarea densității medii a globului (5,5) influențează mai multe modele în care o crustă ușoară fină de silicați acoperă un miez metalic voluminos mai dens.
Cercetările actuale sunt interesate de o mai bună cunoaștere a „foarte adâncului”. În special, natura și proprietățile exacte ale sămânței de pământ . De exemplu, temperatura sa. În 2013, rezultatele convergente explică diferențele anterioare, conform cărora temperatura miezului ar evolua de la 3800 ° C la 5500 ° C, în funcție de adâncime.