Géophysique interne

Une difficulté fondamentale de la géophysique interne est l'impossibilité d'aller étudier sur place la structure et la composition de l'intérieur de la Terre ou des planètes : en dessous d'une très mince pellicule superficielle, le matériau devient totalement inaccessible à des méthodes d'échantillonnage direct. En effet, le forage le plus profond à ce jour, effectué au moyen de techniques de pointe dans la presqu'île de Kola (Russie), a atteint à peine dix-sept kilomètres de profondeur, soit moins de trois pour mille du rayon terrestre. Il est vrai que du matériau de plus grande profondeur trouve parfois son chemin vers la surface à travers des cheminées volcaniques, ainsi que par des processus de rupture ou de collision de plaques tectoniques, mais les matériaux de grande profondeur qu'on peut ainsi récolter et analyser au laboratoire ont été transformés lors de leur migration vers la surface et ne constituent plus guère de fidèles témoins de la composition réelle.

On est ainsi amené à utiliser des informations recueillies à la surface ou à l'extérieur de la Terre, en général des données intégrales telles que la masse, le moment d'inertie, les vitesses apparentes d'ondes sismiques, les périodes d'oscillations libres, les valeurs du champ de pesanteur ou du champ géomagnétique, etc., pour déterminer la constitution interne au moyen d'une méthode d'inversion adéquate. La résolution de ce problème géophysique inverse ne détermine pas de manière univoque la constitution de la Terre. En termes mathématiques, il s'agit ainsi de résoudre un problème de conditions aux limites mal posé dont la solution n'est pas unique. En fait, la technique d'inversion fait appel à une modélisation préalable : on construit d'abord un modèle de Terre suffisamment détaillé pour les études que l'on a en vue. À l'aide de ce modèle de départ on calcule des valeurs théoriques pour les paramètres observables, que l'on compare aux valeurs réellement observées. On se sert alors des différences constatées pour transformer le modèle de départ de manière à rendre minimum la somme des carrés des différences entre nouvelles valeurs théoriques et valeurs observées, produisant ainsi en quelque sorte le meilleur modèle possible compte tenu des données dont on dispose et des hypothèses qu'on accepte pour construire le modèle de départ.

Souvent une information nouvelle ne fait que rétrécir la gamme des modèles possibles. Toutefois, on admet implicitement que lorsqu'on dispose d'un ensemble suffisamment étendu d'informations distinctes, on aboutit à un modèle qui constitue une image acceptable de la constitution globale de la Terre, étant donné que la plupart des infimes détails de structure resteront à jamais inconnus. Telle est la situation actuelle en ce qui concerne la structure mécanique de la Terre. Par contre, un modèle précis de sa structure thermique fait encore défaut, de même d'ailleurs qu'un modèle précis de ses propriétés électriques et magnétiques.

Historiquement, on peut distinguer quatre types de modèles terrestres. Les premiers modèles à voir le jour étaient des modèles terrestres astro-géodésiques. Ceux-ci ont surtout été développés au cours du XIX^e siècle. Ensuite, depuis le début du XX^e siècle, on construit des modèles sismologiques statiques, dont le modèle PREM, paru en 1981, qui sert toujours de référence provisoire pour les modèles de Terre à symétrie sphérique. En 1984 sont apparus les premiers modèles dynamiques tridimensionnels, basés sur la tomographie sismique. Le quatrième type est fourni par les modèles évolutifs, dont certaines ébauches existent déjà dans la littérature géophysique et qui constitueront, à coup sûr, un sujet de recherche important dans les années à venir.