Les couches internes de la Terre : structures secondaires

1. Deux façons de découper le globe

La structure principale (croûte, manteau, noyau) repose sur la composition chimique des roches : granite ou basalte pour la croûte, péridotite pour le manteau, fer et nickel pour le noyau.

Mais on peut aussi découper le globe selon le comportement mécanique des roches, c'est-à-dire leur façon de réagir aux forces :

• une roche rigide (ou cassante) se brise quand on la force : c'est ce qui produit les séismes ;
• une roche ductile (ou plastique) se déforme lentement sans se casser, comme de la cire chaude.

Ce second découpage fait apparaître les structures secondaires : lithosphère, asthénosphère et mésosphère. Il ne remplace pas le premier : il se superpose à lui.

2. La lithosphère

La lithosphère (du grec lithos, pierre) est l'enveloppe externe rigide du globe. Elle comprend :

• toute la croûte (continentale ou océanique) ;
• la partie supérieure du manteau, froide et rigide, soudée à la croûte (on l'appelle le manteau lithosphérique).

Son épaisseur moyenne est d'environ 100 km, mais elle varie :

• sous les dorsales océaniques, où le manteau chaud remonte, elle est très mince (quelques kilomètres) ;
• sous les océans, elle s'épaissit en s'éloignant de la dorsale, à mesure qu'elle se refroidit ;
• sous les continents anciens, comme le craton ouest-africain qui porte la Guinée, elle peut atteindre 150 à 200 km, voire davantage.

La base de la lithosphère n'est pas une limite de composition : elle correspond à une température d'environ 1 300 °C (isotherme 1 300 °C). Au-dessus, la péridotite est froide et rigide ; au-dessous, elle est chaude et ductile.

La lithosphère est découpée en une douzaine de grandes plaques lithosphériques rigides, qui se déplacent les unes par rapport aux autres (voir la leçon « La mobilité de la lithosphère »).

3. L'asthénosphère et la zone à moindre vitesse

Sous la lithosphère se trouve l'asthénosphère (du grec asthenos, faible). C'est la partie du manteau supérieur, chaude et ductile, sur laquelle les plaques peuvent se déplacer.

Les sismologues y ont découvert une zone où la vitesse des ondes P et S diminue légèrement au lieu d'augmenter : la zone à moindre vitesse (ZMV, ou LVZ en anglais), située environ entre 100 et 250 km de profondeur.

Comment l'expliquer ? À ces profondeurs, la température est très proche de la température de fusion de la péridotite. Une très faible partie de la roche (de l'ordre de 1 %) est fondue : c'est une fusion partielle. De fines pellicules de liquide entourent les grains solides et rendent la roche moins rigide, ce qui ralentit les ondes.

Attention : l'asthénosphère reste essentiellement solide (les ondes S la traversent). Elle n'est pas une « mer de lave » ; elle se comporte comme un solide très lentement déformable, un peu comme le beurre de karité qui s'écrase sous le doigt tout en restant solide.

4. La mésosphère

Sous l'asthénosphère, jusqu'à la limite du noyau (2 900 km), le manteau redevient plus rigide car la pression augmente fortement : c'est la mésosphère (ou manteau profond). Les vitesses des ondes y augmentent régulièrement. Des mouvements très lents de convection s'y produisent pourtant, sur des dizaines de millions d'années.

5. Les discontinuités secondaires

Outre les trois grandes discontinuités, les sismologues ont repéré des limites moins marquées :

• la discontinuité de Conrad, dans la croûte continentale, vers 15 à 20 km : elle sépare une croûte supérieure (souvent décrite comme « granitique ») d'une croûte inférieure plus dense. Elle n'existe pas partout ;
• la limite lithosphère-asthénosphère, vers 100 km en moyenne, marquée par le début de la zone à moindre vitesse ;
• les discontinuités de la zone de transition, vers 400 km et 670 km : les minéraux du manteau (comme l'olivine) y changent de structure cristalline sous l'effet de la pression, sans changer de composition. La limite des 670 km sépare le manteau supérieur du manteau inférieur ;
• à la base du manteau, juste au-dessus du noyau, une couche irrégulière de quelques centaines de kilomètres, appelée couche D'' (« D seconde »), où se produisent de forts échanges de chaleur avec le noyau.

6. Pourquoi ces structures sont essentielles

La distinction lithosphère/asthénosphère est la clé de la tectonique des plaques : une lithosphère rigide, découpée en plaques, se déplace sur une asthénosphère ductile. C'est aussi dans la lithosphère rigide que se produisent la plupart des séismes : les roches cassantes s'y brisent brutalement, alors que les roches ductiles de l'asthénosphère se déforment sans rompre. Enfin, la fusion partielle dans le manteau supérieur est à l'origine de nombreux magmas, en particulier ceux des dorsales océaniques.