GÉOPHYSIQUE

La géophysique utilise les méthodes de la physique pour étudier la Terre et son environnement. La « géophysique interne », objet de cet article, concerne la structure du sous-sol et des grandes profondeurs terrestres, ainsi que les mouvements de matière qui s’y produisent. Elle fait partie, avec la géologie, la géochimie, la géodésie et la géodynamique de la discipline des sciences de la Terre parfois qualifiée de « Terre solide » par opposition aux disciplines concernant les océans et l’atmosphère.

Une autre grande composante de la géophysique concerne ce que l’on appelle les enveloppes fluides de la Terre avec la partie inférieure de l'atmosphère (qui est électriquement neutre), les océans et les grandes masses glaciaires. Les échanges entre les océans et l’atmosphère jouent un grand rôle en météorologie et en climatologie. En ce qui concerne les continents, les questions touchant à la circulation de l’eau dans le sous-sol relèvent de l’hydrologie, une discipline qui fait appel à de nombreuses méthodes dont celle de la géophysique interne, de la mécanique des fluides et de la géochimie.

Au-delà de 60 kilomètres d’altitude, des couches ionisées constituent l’ionosphère. La physique de cette atmosphère, de ses particules électriquement chargées et de ses interactions avec le vent solaire fait appel à des notions très différentes de celles de l’atmosphère neutre. C’est le domaine de la « géophysique externe ».

En sondant les profondeurs de la Terre à partir de mesures physiques effectuées à sa surface ou en son voisinage immédiat, le géophysicien dispose d'une vaste panoplie d'outils qui lui permettent de caractériser les milieux profonds. La connaissance des paramètres physiques de ces derniers est essentielle pour comprendre le fonctionnement de l’intérieur de notre planète et de son évolution au cours du temps. Si la géologie nous apprend beaucoup à partir de l'analyse de roches remontées lors de processus orogéniques (menant à la formation des montagnes) ou volcaniques, la géophysique permet quant à elle de connaître les propriétés physiques des matériaux profonds à partir de signaux détectés à la surface du sol ou depuis l'espace. Ces méthodes d'observations indirectes prennent tout leur sens quand on sait que le forage le plus profond réalisé par l'homme n'a atteint que 12 262 mètres (presqu'île de Kola, au nord de la Russie, 1994), soit moins de 0,2 p. 100 de la profondeur de la Terre (le rayon moyen de notre planète étant de 6 371 km).

Les sous-disciplines de la géophysique

Méthodes sismiques

Les ondes sismiques générées par des séismes, naturels ou artificiels, constituent un puissant moyen d'investigation des propriétés élastiques des matériaux terrestres. En géophysique, les méthodes sismiques sont celles qui permettent d'imager les milieux profonds avec le plus de finesse. Parmi les techniques de prospection industrielle, celles qui utilisent la réflexion d'ondes sismiques sont très efficaces pour connaître les structures des formations sédimentaires susceptibles d‘avoir piégé des hydrocarbures (pétrole ou gaz).

Le principe de ces techniques est proche de celui du sonar embarqué sur les navires pour mesurer la profondeur des fonds marins, mais les dispositifs d'émission (les sources) et de réception (les capteurs) des signaux sismiques sont beaucoup plus complexes et lourds à mettre en œuvre. Les méthodes de réflexion sismique ont donné lieu à des développements considérables, tant pour les dispositifs de sources et de capteurs que pour le traitement numérique des signaux recueillis.

En mer, les capteurs sont constitués d'hydrophones qui sont reliés entre eux pour former ce que l’on appelle une flûte sismique. Ces instruments, remorqués et déployés sur plusieurs kilomètres à l'arrière de navires-laboratoires, captent les variations de pression dans l’eau. À terre, on déploie des dispositifs comprenant des camions vibreurs et des capteurs sismiques fichés dans le sol, les géophones.

Géologie sous-marine

La géologie « moderne » est née avec le passage « en mer » des géologues à l'issue de la Seconde Guerre mondiale. Diverses méthodes de sondages et d'imageries géophysiques, d'écho-sondar multifaisceaux, de sismique réflexion et réfraction, de gravimétrie, de magnétisme, etc.,... 

Crédits : INSU-IPGP

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Ces techniques, développées initialement pour prospecter les ressources de pétrole et de gaz, ont des applications dans de nombreux autres domaines. Elles ont permis, par exemple, d'imager des structures profondes de la croûte terrestre, comme celles qui apparaissent sur la coupe sismique des Pyrénées.

Profil de réflexion sismique et interprétation 

Dans le cadre du programme Ecors (Étude de la croûte continentale et océanique par réflexion et réfraction sismiques) des années 1980, un profil de réflexion sismique profonde a été réalisé à travers la chaîne pyrénéenne. En a, les échos interprétés sont positionnés en fonction... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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À l'échelle de la Terre entière, la sismologie permet de visualiser ses structures en trois dimensions, et ce à toute profondeur. Les techniques ont fortement évolué depuis les années 1960 où l’on devait se contenter d’enregistrements sur papier effectués en quelques rares stations isolées à la surface du globe. Avec l'augmentation du nombre de stations et la généralisation du traitement informatique massif des signaux sismiques, certaines techniques de cette sismologie se rapprochent de celles de l'industrie. Inversement, des méthodes développées dans le cadre de la sismologie académique sont utilisées dans l'industrie. C'est le cas des écoutes passives de la faible agitation sismique permanente du sol, dont l’analyse permet d'imager les structures du sous-sol.

Gravimétrie

Les mesures gravimétriques, qui permettent d’étudier des variations locales du champ de gravitation, ont joué un rôle important dans l'histoire des sciences physiques ainsi que pour la connaissance de l’intérieur de la Terre car elles ont permis d’en déduire la répartition des masses et, donc, la structure interne de notre planète.

En physique, après l'énoncé de la loi de la gravitation universelle par Isaac Newton en 1687 – qui montre que la force de gravitation explique le mouvement des planètes et des satellites, et plus généralement l'attraction à distance entre deux corps ayant une masse –, il restait à déterminer la valeur de la constante G de la loi de gravitation. Cela est devenu possible lorsqu'on a pu faire le lien entre la force d'attraction qui s'exerce sur un corps de masse m – son poids – et la masse M_T de la Terre. Mesurer M_T est un problème de géophysique. Sa première détermination précise a été faite en 1776 par l’astronome britannique Nevil Maskelyne, à partir de mesures de la déviation de la verticale sous l’effet de l’attraction de la masse d’une montagne en Écosse. Elle a ainsi permis de déterminer G une vingtaine d’années avant les travaux expérimentaux de Henry Cavendish (1798) qui a mesuré pour la première fois en laboratoire l’attraction gravitaire entre deux masses.

L'identité entre l'accélération de la pesanteur (g pour gravité) qu'un objet acquiert en chute libre et la valeur du champ de gravité dû à l'attraction terrestre est un principe d'équivalence fondamental de la physique. Il découle de cette identité deux techniques de mesure de [...]

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Géologie sous-marine
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Profil de réflexion sismique et interprétation 
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Tectonique des plaques en Méditerranée orientale
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Déformation du sol vue par satellite grâce à l’interférométrie radar et modélisation
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