L'intérieur de la Terre est-il vraiment fait de magma pâteux ?
― Le manteau est de la roche solide. Mais sur des centaines d'années, il s'écoule tout doucement
Sous nos pieds s'étendrait une mer de magma rouge et fondu : beaucoup de gens le pensent. Or le « manteau », qui occupe plus de 80 % du volume de la Terre, est de la roche solide, pas fondue. On dit pourtant aussi qu'il « coule ». Solide, et pourtant il coule ? Cette contradiction apparente se résout par une question : sur quelle durée regarde-t-on ?
Vous avez sûrement déjà vu, dans un livre, la Terre coupée en deux. L'intérieur est peint en orange et en rouge : on dirait que tout est brûlant et fondu.
Aux informations, de la lave rouge déborde d'un cratère et coule. Il paraît naturel de penser que le sous-sol en est rempli.
Mais si le sol cachait aussitôt un océan liquide, les continents ne seraient que de minces radeaux flottants. Est-ce vraiment le cas ?
Deux raisons de dire que ce n'est « pas fondu »
Un certain type d'onde ne peut pas avancer dans un liquide. Or cette onde traverse le manteau sans problème : c'est donc que le manteau est solide.
Face à une secousse de quelques minutes, la roche rebondit comme un « ressort ». Face à une force qui dure plus de quelques siècles, elle s'écoule comme du « sirop épais ». L'erreur vient du mélange de ces deux visages.
« Le manteau est pâteux » n'est donc qu'à moitié vrai. Il n'est pas fondu : il reste solide et change de forme, très lentement.
Les ondes sismiques ne passent pas dans un liquide
Quand un séisme se produit, des ondes traversent la Terre et atteignent des stations d'observation lointaines. Il en existe deux types : l'une comprime la matière, l'autre la cisaille latéralement.
L'onde de cisaillement se propage grâce à la force qui ramène la matière à sa forme initiale. Un liquide n'a pas cette force : si l'on cisaille de l'eau, elle se contente de couler. Voilà pourquoi l'onde de cisaillement ne peut pas avancer dans un liquide.
Les observations montrent que cette onde traverse le manteau sans difficulté, jusqu'à environ 2900 km de profondeur. Elle s'arrête en entrant dans le « noyau externe », plus bas. Regardez la figure 1. Dans la Terre, la seule grande couche liquide est le fer fondu du noyau externe.
La température du manteau est d'environ 1000 °C en haut et dépasse 3000 °C au fond. S'il ne fond pas, c'est que le poids des roches au-dessus exerce une pression énorme. Plus la pression est forte, plus la roche a du mal à fondre.
Le magma n'apparaît que là où cet équilibre est rompu : là où la roche remonte lentement et la pression baisse, ou là où l'eau libérée par une plaque océanique qui plonge rend la roche plus facile à fondre. Même là, seule une partie de la roche fond, et le liquide qui suinte se rassemble. Il n'y a pas de mer de magma.
Solide et pourtant fluide ― tout dépend de la durée d'observation
Une roche solide qui coule, cela paraît bizarre. Pourtant, il existe des exemples familiers : un glacier de montagne, en glace bien dure, descend sa vallée de quelques dizaines de centimètres à plusieurs mètres par jour.
L'essentiel est que chaque matière a un « temps de basculement ». Face à une force plus brève, elle rebondit comme un ressort. Si on pousse plus longtemps, elle s'écoule comme du sirop. Pour la roche du manteau, ce temps est estimé à quelques centaines d'années.
Avec le curseur de la figure 2, changez la durée d'observation. Pour une secousse sismique qui dure quelques dizaines de secondes, le manteau n'est qu'une roche dure. Mais sur des dizaines de milliers ou des dizaines de millions d'années, la roche dont on pousse la face supérieure se penche de plus en plus et ne revient plus.
On a de vraies preuves que le manteau coule. La péninsule scandinave continue aujourd'hui de se soulever, jusqu'à environ 1 cm par an. Il y a environ 20 000 ans, elle portait une glace épaisse de plusieurs kilomètres. Le sol, enfoncé par ce poids, remonte peu à peu depuis la disparition de la glace, à mesure que le manteau en dessous reflue.
C'est à partir de cette vitesse de remontée que la « viscosité » du manteau a été estimée pour la première fois, en 1935. Sa valeur serait mille milliards de fois celle de l'eau, multipliée encore par mille milliards. Les plaques se déplacent aussi de quelques centimètres par an, à peu près la vitesse de pousse des ongles.
À l'Université du Queensland, en Australie, du « brai » (une sorte de goudron) est placé dans un entonnoir depuis 1927. Il est si dur qu'un coup de marteau le brise, et pourtant des gouttes se détachent au bout de l'entonnoir. Seules 9 sont tombées jusqu'ici. La viscosité du brai dépasse 100 milliards de fois celle de l'eau, et celle du manteau est encore mille milliards de fois plus forte.
En résumé
Sous nos pieds, il n'y a pas de mer de magma. Le manteau sous la croûte est de la roche solide, comme le prouve le passage des ondes de cisaillement des séismes. La seule grande masse liquide est le fer du noyau externe, sous environ 2900 km de profondeur. Le magma ne naît que dans des zones limitées près de la surface, où la pression baisse ou où de l'eau s'ajoute. Mais le manteau solide s'écoule quand on regarde sur plus de quelques siècles. C'est ce « lent écoulement » qui déplace les plaques et fait remonter les terres libérées de leur glace.
L'intérieur de la Terre n'est pas fondu.
Il coule seulement, trop lentement pour qu'une vie humaine le voie.
Pour savoir comment le passage ou non des ondes a révélé l'intérieur de la Terre, lisez Personne ne peut aller au centre de la Terre : comment sait-on ce qu'il y a dedans ? ; pour la source de chaleur qui réchauffe sans cesse le manteau, Pourquoi l'intérieur de la Terre ne refroidit-il pas, même après 4,6 milliards d'années ?. Et pour le mécanisme des éruptions, rendez-vous à Pourquoi les volcans entrent-ils en éruption ?.
- Roulez en boule un slime du commerce (ou fait maison avec de la colle à lessive) et laissez-le tomber doucement sur la table. Pendant un instant, vous le voyez rebondir un peu, comme une balle.
- Laissez la même boule posée sur la table pendant une dizaine de minutes. Cette boule qui rebondissait s'étale et devient plate.
- Enfin, tirez-la d'un coup à deux mains. Si vous tirez lentement, elle s'allonge ; si vous tirez vite, elle se déchire net.
Solide face aux forces brèves, liquide face aux forces longues. Pour le slime, le temps de basculement est de quelques secondes ; pour le manteau, de quelques centaines d'années. Lavez-vous les mains après avoir joué avec le slime.
Pour aller plus loin ― termes, formules et lien avec les manuelsLe niveau de chaque passage est indiqué, du collège aux cours universitaires spécialisés
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend au lycée en « sciences de la Terre » et en « physique »
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou contenu d'encadré dans les manuels
- Univ.Cours universitaires spécialisés (géophysique, rhéologie), absents du lycée
- RechercheQuestions que les chercheurs étudient en ce moment, pas encore enseignées comme acquises
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Manteau : couche de roche située sous la croûte, jusqu'à environ 2900 km de profondeur. Elle occupe plus de 80 % du volume de la Terre.
- Onde S (onde transversale) : dans un séisme, l'onde qui cisaille la matière latéralement. Elle ne se propage pas dans un liquide. L'onde qui comprime est l'onde P (onde longitudinale).
- Viscoélasticité : propriété de se comporter comme un ressort face à une force brève et comme un liquide face à une force longue. Le slime, la glace des glaciers et la roche du manteau l'ont.
- Rebond post-glaciaire : lent soulèvement d'un sol enfoncé, après la disparition de la glace épaisse d'une période glaciaire.
CollègeLycéeVérifier par une formule : le temps où le manteau passe de « solide » à « liquide »
Si l'on divise la viscosité par la rigidité, on obtient le temps où le visage de ressort laisse la place au visage de liquide. On l'appelle le temps de Maxwell. Voici le sens des symboles. Les unités sont la seconde, le pascal et le pascal-seconde.
| τ | Temps de basculement (temps de Maxwell, en secondes) |
| η | Intensité de la viscosité (viscosité, en pascal-secondes) |
| G | Rigidité face au cisaillement (module de cisaillement, en pascals) |
| En symboles | τ ＝ η ÷ G |
| En mots | temps de basculement ＝ viscosité ÷ rigidité |
| D'où vient cette formule | Elle vient d'un modèle (le modèle de Maxwell) où un ressort (rigidité G) et un amortisseur à liquide (viscosité η) sont montés en série : la déformation stockée dans le ressort s'échappe par l'écoulement du liquide, à une certaine vitesse. |
| Viscosité du manteau η (valeur estimée à partir du rebond post-glaciaire) | environ 1×10 puissance 21 pascal-secondes |
| Rigidité du manteau supérieur G | environ 7×10 puissance 10 pascals |
| Durée d'une année | environ 31,54 millions de secondes |
| Vitesse de convection du manteau (similaire à celle des plaques) | environ 5 cm par an |
| Partie numérique de τ (1 ÷ 7) | 1 ÷ 7 ≒ 0.143 |
| Partie « puissance de 10 » de τ (21 − 10) | 21 − 10 ＝ 11 |
| Ensemble : 0.143×10 puissance 11 s ＝ environ 14,3 milliards de secondes. Convertissons en années | 14300000000 ÷ 31540000 ≒ 453 |
| Une secousse sismique (environ 1 minute ＝ 60 secondes) vaut quelle fraction de τ ? | 14300000000 ÷ 60 ≒ 238000000 |
| Épaisseur du manteau, 2900 km, en cm | 2900 × 100000 ＝ 290000000 |
| Nombre d'années pour parcourir cette épaisseur à 5 cm par an | 290000000 ÷ 5 ＝ 58000000 |
| Combien de fois τ (453 ans) cela représente-t-il ? | 58000000 ÷ 453 ≒ 128000 |
Le temps de basculement est d'environ 450 ans. Une secousse sismique ne dure qu'environ un deux-cent-millionième de ce temps : le manteau transmet donc les ondes comme un ressort. En revanche, la roche met environ 58 millions d'années à s'écouler sur toute l'épaisseur du manteau, soit plus de 100 000 fois le temps de basculement. À cette échelle, le manteau montre tout à fait son visage de liquide. Les valeurs de la figure 2 utilisent aussi ce τ ＝ environ 14,3 milliards de secondes.
LycéeLycée+La zone d'ombre des ondes S, et la température de fusion qui monte avec la pression
LycéeAux stations situées à plus d'environ 103 degrés d'angle de l'épicentre, les ondes S n'arrivent pas. On l'appelle la « zone d'ombre des ondes S », et elle prouve que le noyau externe est liquide. À l'inverse, les ondes S traversent normalement le manteau. C'est au programme de « La structure interne de la Terre » en spécialité de sciences de la Terre.
Lycée+La température où la roche commence à fondre (le solidus) augmente avec la pression. La température réelle du manteau reste inférieure au solidus à toute profondeur : il demeure donc solide. Aux dorsales océaniques et aux points chauds, la roche remonte, la pression baisse, on passe sous le solidus et une partie fond (fusion par décompression). Dans les zones de subduction, l'ajout d'eau abaisse le solidus lui-même.
Univ.Modèle de Maxwell, convection du manteau, isostasie
La propriété de rebondir sous une force brève et de couler sous une force longue relève de la viscoélasticité, en rhéologie. Le modèle le plus simple monte un ressort et un amortisseur en série : c'est le modèle de Maxwell, et sa constante de temps est le temps de Maxwell ci-dessus. La roche réelle du manteau s'écoule par un « fluage à l'état solide », une lente déformation due aux dislocations dans les cristaux et à la diffusion des atomes. Quand cet écoulement est entraîné par la flottabilité de la roche chauffée, on parle de convection du manteau ; le nombre de Rayleigh est extrêmement grand, si bien que même un solide convecte. La valeur de la viscosité a été estimée pour la première fois par Haskell en 1935, en analysant le retour de la croûte après la fonte des calottes glaciaires comme une relaxation vers l'isostasie (l'état où la croûte est en équilibre de flottabilité).
📖 Dérivation des formules et suite : Viscoélasticité (Wikipédia, en japonais) ／ Convection du manteau (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe que l'on ne sait pas encore bien
- Comment la viscosité varie-t-elle avec la profondeur ? Beaucoup d'estimations donnent un manteau inférieur plusieurs dizaines de fois plus visqueux que le supérieur, mais les valeurs sont dispersées et varient sans doute selon les endroits.
- Le manteau forme-t-il une seule convection d'ensemble ? Est-il séparé en haut et en bas vers 660 km de profondeur, ou bien les plaques plongeantes tombent-elles jusqu'au fond et brassent-elles tout ? Le débat continue.
- Que sont les « grandes masses » au fond du manteau ? Sous l'Afrique et le Pacifique, on a trouvé de vastes zones où les ondes sont lentes. Roche de composition différente, ou en partie fondue ? Rien n'est tranché.
Cet article n'est donc lui aussi qu'« une explication de ce que l'on sait aujourd'hui ». Personne n'a jamais vu directement l'intérieur de la Terre : on le reconstruit peu à peu à partir des ondes, de la gravité et de roches étudiées en laboratoire.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 2e domaine « Changements de la Terre » (ondes sismiques, volcans) | Les deux types d'ondes et la formation du magma |
| Lycée | Sciences de la Terre (base) « Structure interne de la Terre » | Zone d'ombre des ondes S, noyau externe, coupe de la figure 1 |
| Lycée+ | Sciences de la Terre « Mouvement des plaques, formation du magma » | Solidus et fusion par décompression |
| Univ. | Géophysique, rhéologie | Temps de Maxwell, convection du manteau, rebond post-glaciaire |
| Recherche | Dynamique de l'intérieur de la Terre | Profil de viscosité en profondeur, forme de la convection, grandes masses du fond |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Slime, glaciers, soulèvement des terres en Scandinavie |
- Haskell, N. A. (1935) The Motion of a Viscous Fluid Under a Surface Load. Physics 6, 265.
- Université du Queensland, École de mathématiques et de physique, « Pitch Drop experiment »
- Wikipédia (en japonais), « Convection du manteau » (マントル対流)
- Wikipédia (en japonais), « Viscoélasticité » (粘弾性)
- Observatoire astronomique national du Japon (国立天文台), éd., 『理科年表』 (Chronologie scientifique), Maruzen Publishing (valeurs de la structure interne de la Terre)
- Turcotte, D. L. & Schubert, G. Geodynamics, Cambridge University Press (temps de Maxwell et viscosité du manteau)
※Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs données sont des repères approximatifs pour comprendre le mécanisme. La viscosité et la température du manteau varient selon la profondeur, le lieu et les études.