SCIENCES DES VOLCANS, Structure de la terre, la Croûte , le Manteau, le Noyau, les risques volcaniques et leurs conséquences

Il y a très peu d'accès aux structures internes du globe terrestre. Leur étude ne peut se faire que par des moyens indirects; parmi ceux-ci, l'analyse des tremblements de la terre est le plus important, chaque année, notre planète est secouée par des milliers de tremblements de terre, pour la plupart insensibles à l'homme mais enregistrés par des sysmographes qui couvrent le monde entier. Chaque tremblement de terre ou séisme, engendre des ondes sismiques qui rayonnent à partir de leur point d'émission, là ou le choc s'est produit. Cette propagation se fait dans tous les sens, comme en deux dimensions, un train d'ondes concentriques provoqué autour d'un point d'impact comme un caillou, jeté à la surface de l'eau.

Il existe deux types d'ondes sismiques:

1) les ondes P (primaires), ondes de compression qui se déplacent longitudinalement;

2) les ondes S (secondaires), ondes de cisaillement qui se déplacent transversalement.

Dans un milieu homogène, les ondes P se propagent à une vitesse bien supérieure à celle des ondes S ( approximativement 1,7 fois plus rapidement). Comme les rayons lumineux, les ondes sismiques peuvent être réflechies ou réfractaires lors de la traversée de milieux differents, leur vitesse de propagation peut-être affectée par la densité du milieu traversé. Les ondes génèrées par un séisme se produisant en un point quelconque de l'enveloppe terrestre vont traverser le globe selon des chemins particuliers, affectés par les structures des zones parcourues. A leur arrivée en surface, ces ondes seront lues par les sismographes coordonnées entre elles. Les differents temps d'arrivée des ondes, les modifications de leurs trajectoires nous renseigneront alors sur les diverses zones traversées depuis le point d'émission: leur analyse produira une sorte de "radiographie" de l'intérieur de la terre. L'accumulation de données sismiques multiples, la finesse des analyses, la construction de modèles théoriques fondés sur les lois de la physique ont permis de définir assez clairement la structure interne du globe terrestre.
Celle-ci est formée, de manière assez uniforme, par une série d'enveloppes concentriques, très localement perturbées par d'autres élèments comme les plans de subdication ou les panaches du point chaud. Ces enveloppes sont presque toutes constituées de matériaux solides: il est faux de croire que l'intérieur du globe est liquide

La croute terrestre est la partie externe, solide, de notre planète, celle que nous connaissons pour la fouler aux pieds. Son épaisseur varie de quelques kilomètres sous les océans (croûte océanique) plusieurs dizaines de kilomètres sous les continents (croûte continentale). Remarquons que son épaisseur est très faible, comparé au rayon terrestre(6 370 km en moyenne). La croûte superficielle a pu être étudiée par des observations directes, par des coupes naturelles (vallées, flancs de montagnes, nappes de charriage tendues sur la surface...) ainsi que par divers forages, certains très profonds. La croûte océanique, créée au fond des océans par les rides d'accrétion, est composée essentiellement de laves basaltiques et de gabbros, leur équivalent profond. La croûte continentale est composée surtout de granit, et de gneiss dans une moindre proportion. On y trouve également des roches sédimentaires, calcaires par exemple. Elle est très riche en silice et présente les densités les plus faibles du globe terrestre : entre 2,7 et 3. Sa partie externe est froide : c'est sur celle-là que nous vivons. En revanche, la température augmente lorsqu'on se déplace en profondeur en son sein :
c'est ce que l'on appelle le gradient géothermique.
Dans la croûte continentale, le gradient moyen est de 20° C par kilomètre de profondeur, c'est d'environ 1000° C.

Situé juste sous la croûte, le manteau s'étend jusqu'à 2900 km de profondeur. Il représente le plus gros volume terrestre, près de 81% de la masse totale de notre globe. Une discontinuité franche, repérée par la sismologie 670 km de profondeur, sépare le manteau supérieur du manteau inférieur, discontinuité qui marque un changement brusque de densité. Le manteau supérieur est composé essentiellement de péridotites, roches riches en fer et en magnésium. On connaît sa composition grâce aux fragments qui sont remontés par les magmas et rejetés en inclusion dans la lave de certaines éruptions. La densité du manteau supérieur varie de 3,4 à 4 . La partie externe du manteau, jusqu'à 200 km de profondeur, est entièrement solide. Elle s'associe la croûte pour former un ensemble rigide et cassant que l'on appelle la lithosphère. Cette lithosphère peut se fragmenter en grands panneaux mobiles :

ce sont les plaques lithosphèriques.

Toute la partie du manteau située sous la lithosphère s'appelle l'asthénosphère :
Elle présente des caractéristiques physiques bien particulières. Jusqu'à 400 km de profondeur, sa température est de 1400°C; elle atteint 1600°C au niveau de la discontinuité à 670 km de profondeur. Si les laves de surface des températures de fusion bien inférieures à ces valeurs, ici, au sein du manteau, compte tenu des hautes pressions qui règnent à ces profondeurs, le point de fusion n'est pas atteint. On en est cependant assez proche, ce qui pourrait expliquer que l'on observe une certaine perte de rigidité dans le manteau, pourtant solide. L'asthénosphère se présente donc comme plastique et capable de fluage. Après 670 km de profondeur et jusqu'à 2900 km, on trouve le manteau inférieur plus dense que le manteau supérieur (de 4,5 à 6), il est solide. Sa composition globale est identique à celle du manteau supérieur, mais les très grandes pressions qui règnent à ces profondeurs font que les strutures cristallines des roches se modifient fortement.

Des modélisations théoriques montrent que sa température évolue pour atteindre environ 3500°C à 2900 km de profondeur. Les grandes differences de température entre la partie supérieure et inférieure du manteau, alliées à la plasticité relative de celui-ci, font que les cellules de convection thermique y apparaissent.

Deux hypothèses, différentes mais pas incompatibles, peuvent l'expliquer : une convection à une couche intéressant l'ensemble du manteau, avec de grandes cellules convectives allant de la limite noyau-manteau jusqu'à la base de la lithosphère; soit une convection à deux niveaux avec deux couches de cellules convectives au sein du manteau, couches réparties de part et d'autre de la discontinuité à 670 km. Quelque soit son type, la convection est responsable de mouvements de fluage de la matière, mouvements extrêmement lents car il semble que la vitesse des courants ascendants des cellules de convection ne dépasserait pas quelques dizaines de centimètre par an. Cependant, ce fluage de la matière est responsable des mouvements de grands panneaux de lithosphère : c'est ce que l'on appelle la tectonique des plaques.

A 2900 km de profondeur, une discontinuité très nette sépare le manteau inférieur du noyau. Elle correspond un important saut quantitatif de la densité qui, dans le noyau, varie de 9,8 à 13. La composition chimique du noyau est encore mal connue, mais on y distingue deux élèments majeurs :
le fer, qui en représente près de 80%, et le nickel, qui doit approcher les 4%. Les 16% restants sont divers élèments plus légers, vraisemblablement en solution, comme le soufre, l'oxygène, le silicium, le carbone, etc. De 2900 km à 5150 km, on trouve le noyau externe. Sa température doit atteindre les 4700°C et, malgré la pression à ce niveau, le fer, associé à d'autres élèments, est ici liquide. Le noyau interne, parfois appelé la graine, est composé de fer presque pur et présente les plus hautes densités du globe terrestre : de 12 à 13. Il est solide, le fer y ayant acquis une structure cristalline encore mal connue aujourd'hui. Les differences de température et la présence d'une couche liquide font que dans le noyau externe, au contact de la partie inférieure du manteau, se développe aussi un système de cellules de convection. La progression des mouvements de la matière peut ici atteindre quelques kilomètres par an, donc une vitesse presque 100000 fois plus grande que celle qui apparaît dans le manteau supérieur. Ces mouvements très rapides (l'echelle de la Terre) de fer liquide provoquent des phénomènes à l'origine du champ magnétique qui baigne toute la sphère terrestre.

Ils sont aux nombres de sept
• Les coulées de lave
• Les projections et retombées de bombes
• Les nuées ardentes ou coulées pyroclastiques
• Les gaz volcaniques
• Les éboulements et écroulements de dôme
• Les coulées de boues
• Les tsunamis ou raz de marée

Etudes volcanologiques "des volcans et des hommes"