GÉOPHYSIQUE

GÉOPHYSIQUE

La géophysique est l’étude de la Terre par les moyens de la physique. Chaque progrès de cette dernière discipline bouleverse l’appareillage des géophysiciens ou l’interprétation de leurs résultats. Ce fut autrefois le contraire, car la géophysique, sous d’autres noms, a précédé la physique et l’a aidée à élaborer ses méthodes. La science n’était alors qu’une «philosophie naturelle», s’exerçant péniblement sur les phénomènes d’observation immédiate comme la pesanteur, la foudre, les sources thermales, etc.; position intenable, dont l’issue fut trouvée dans l’expérimentation. L’acceptation très générale du mot «géophysique» est récente: on a longtemps préféré l’expression de «physique du globe», réservant le terme «géophysique» à ce que l’on nomme aujourd’hui géophysique appliquée ou prospection géophysique.

Le domaine de la géophysique est donc très vaste; on peut le diviser en un certain nombre de branches spécialisées qui sont abordées séparément dans l’Encyclopædia Universalis : géodésie et gravimétrie; sismologie et physique de l’intérieur du globe; géomagnétisme et courants telluriques; dérive des continents, dont l’étude ressortit à la tectonique générale; volcanologie; hydrologie; météorologie. Le présent article se propose de préciser ce cadre.

On distingue souvent la géophysique interne, dont le domaine s’étend des eaux superficielles jusqu’au centre de la Terre, et la géophysique externe, plus difficile à délimiter. Loin de la Terre, lorsque les particules neutres échappent en majorité à son attraction, les particules ionisées lui sont encore liées par le champ magnétique terrestre, en sorte qu’on pourrait arrêter le domaine de la géophysique à la magnétopause, à partir de laquelle s’étend l’espace interplanétaire balayé par le vent solaire qui transporte avec lui des champs d’origine entièrement différente. Malheureusement, l’influence des émissions solaires sur les phénomènes terrestres intéresse beaucoup les géophysiciens en sorte qu’ils agrandiraient volontiers leur domaine, aux dépens des astronomes, jusqu’au point de départ de ces émissions, au moins jusqu’aux limites de la couronne solaire. En revanche, l’étude des rayons cosmiques d’origine galactique et celle des météorites est généralement laissée à des «cosmophysiciens», bien que les uns et les autres parviennent jusqu’à nous.

L’utilisation des ordinateurs et des satellites scientifiques (dont le lancement avait été réclamé par les géophysiciens!) a amené un développement prodigieux de la géophysique qui, à son tour, a inspiré l’étude moderne des planètes et des satellites naturels.

1. Modèles théoriques et progrès récents

La géophysique présente une difficulté particulière qui est de devoir conclure sur les couches profondes ou sur les régions extérieures de notre globe en observant leur influence au voisinage du sol. Les mesures superficielles ne déterminent pas complètement les propriétés des milieux d’origine, d’où le recours à des modèles théoriques plus ou moins arbitraires, dont la simplicité a souvent choqué ceux qui, géologues ou climatologues, s’intéressaient aux détails des phénomènes. On s’efforce aujourd’hui de délimiter l’ensemble des modèles compatibles avec les données que l’on possède, puis d’adopter explicitement des conditions raisonnables pour restreindre les choix; approche féconde imitée par d’autres sciences. D’autre part, les observations menées et exploitées automatiquement se sont multipliées en mer ou à distance, en altitude ou en profondeur.

En altitude, on est passé des observatoires de montagne aux radiosondes, aux fusées, aux ballons dérivants, aux satellites à défilement (souvent héliosynchrones) et aux satellites géostationnaires. En profondeur, aux navires et aux bouées dérivantes se sont ajoutés les submersibles – habités ou automatiques –, dont l’emploi pour l’étude des fosses océaniques a débuté avec le projet franco-américain F.A.M.O.U.S. (French American Mid-Oceanic Undersea Survey) en 1973. Les forages pétroliers atteignent des profondeurs de plusieurs kilomètres dans les bassins sédimentaires; ils utilisent en mer l’expérience des scientifiques, qui ont carotté 20 m à 7 039 m (profondeur maximale) et 1 740 m (carottage maximal) à 3 900 m de profondeur. Avoir foré dans des terrains cristallins (à 12 260 m dans la presqu’île de Kola!) entretient l’espoir d’atteindre la discontinuité de Mohorovi face="EU Caron" カi が (ou moho), base de la croûte.

Un autre élément de progrès est la réalisation d’expériences de laboratoire vérifiant le comportement de la matière dans ses états supposés. De telles expériences sont rendues difficiles par le caractère extrême de ces états. Dans la haute atmosphère, par exemple, les chocs sont exceptionnels; les états dissociés, ionisés, excités ont une durée de vie extrêmement longue; au laboratoire, la présence de parois que les atomes viennent heurter nécessite des prodiges d’ingéniosité pour obtenir la reproduction de certains phénomènes, comme les raies interdites de l’aurore polaire. À l’opposé, les pressions et les températures élevées qui règnent au centre de la Terre ont été atteintes, mais pendant des temps extrêmement brefs, au sein d’ondes de choc intenses, ou, à des températures insuffisantes, à l’aide d’enclumes en diamant.

On sait aujourd’hui mettre en jeu des énergies comparables à celles des phénomènes naturels (tremblements de terre, foudre, aurores polaires, etc.); expériences précieuses, mais exigeant des moyens importants et des précautions.

2. La coopération internationale

La simultanéité ou tout au moins une étroite coordination dans l’observation des phénomènes sur toute la surface de la Terre est vitale pour la géophysique. Elle a suscité la formation des premières associations scientifiques internationales: Magnetisches Verein (sous les auspices de Carl Friedrich Gauss, d’Alexander von Humboldt et de Wilhelm Eduard Weber) en 1836, Europäische Gradmessung en 1863, Conseil international pour l’exploration de la mer en 1901, Association internationale de sismologie en 1903, etc. Aujourd’hui encore, l’Union géodésique et géophysique internationale (U.G.G.I.) est l’une des principales unions, et sans doute la plus puissante, de toutes celles qui sont fédérées au sein du Conseil international des unions scientifiques (International Council of Scientific Unions, I.C.S.U.). Elle est divisée en sept associations. Des groupements plus spécialisés que les unions sont courants à l’I.C.S.U., et l’ensemble a des relations complexes avec les organismes s’occupant directement ou indirectement du développement, l’U.N.E.S.C.O. par exemple. Cependant le cadre de l’U.G.G.I. reste sans doute le plus commode pour énumérer les diverses disciplines ressortissant à la géophysique, décrire leurs moyens d’action, faire comprendre leur évolution et leur articulation avec les autres branches de la science. Bien entendu, les frontières correspondantes ne sont ni fixes ni rigoureuses. Ainsi, plusieurs des associations de l’U.G.G.I. patronnent des recherches en géochimie, à laquelle s’intéressent aussi l’Union internationale de chimie pure et appliquée et surtout l’Union internationale des sciences géologiques; la radiochronologie, l’atmosphère moyenne (10 à 90 km), les radiocommunications, les traceurs isotopiques, etc., fourniraient des exemples analogues. L’important est que les recouvrements inévitables engendrent des collaborations et non des rivalités.

Géodésie

La figure de la Terre, qui reflète en partie la distribution de ses masses internes, s’obtient (dans l’ordre d’apparition des méthodes) à partir de la direction des verticales, de l’intensité de la pesanteur, ou des perturbations du mouvement des satellites artificiels lorsqu’ils survolent différentes régions; d’où les titres des cinq sections qui composent l’Association internationale de géodésie :

– la section Réseaux s’intéresse aux positions des points, obtenues à partir de mesures d’angles ou de distances, et à leurs altitudes, déduites des nivellements;

– la section Techniques spatiales se penche sur l’utilisation des satellites comme cibles pour les lasers, ou comme traceurs de la gravité;

– la section Gravimétrie s’occupe de la détermination de la pesanteur sur Terre, et observe ses variations temporelles, essentiellement les marées terrestres, car la force de marée, différence entre l’attraction des astres en un point et l’attraction moyenne, agit non seulement sur les liquides mais aussi sur les solides et sur les gaz; les effets de la marée terrestre renseignent sur la déformabilité du globe, concurremment avec sa vitesse de rotation et avec ses nutations (annuelle, chandlérienne, presque diurne);

– les sections Théorie et traitement des données et Interprétation physique exploitent les résultats.

Sismologie

L’Association internationale de sismologie et de physique de l’intérieur de la Terre, concernée à ce dernier titre par tous les phénomènes internes, y compris thermodynamiques, s’occupe avant tout des tremblements de terre. Des organismes issus de l’Association – tels que l’International Seismological Centre et le Centre sismologique euroméditerranéen – et d’autres centralisent les enregistrements à distance des séismes et des explosions atomiques, déterminent le foyer et l’heure du début, d’où l’on tire des renseignements sur le mécanisme des secousses et sur les milieux traversés par les ondes, y compris le «noyau» liquide de la Terre. Des données complémentaires sont fournies, à la suite de séismes exceptionnellement importants, par la mise en vibration du globe entier.

Les moyennes à chaque profondeur de la densité, de la pression, des paramètres élastiques sont assez bien connues aujourd’hui. Grâce à des informations d’origine différente, les incertitudes sur la température et sur la composition minéralogique diminuent. Cependant, des différences régionales subsistent, peut-être jusqu’au noyau. La répartition géographique des séismes, informant sur la tectonique mondiale, est une source fondamentale de renseignements. Elle est aussi à la base de la prévention, voire de la prédiction des risques sismiques directs ou indirects (raz de marée).

L’étude plus détaillée de la croûte terrestre bénéficie aujourd’hui des méthodes de la prospection pétrolière ou minière (profils sismiques, programmes E.C.O.R.S., Cocorp...).

Faute d’une association de tectonophysique discutant la formation des chaînes de montagne et les mouvements épirogéniques, l’Association de sismologie et l’U.G.G.I. tout entière ont lancé avec l’Union internationale des sciences géologiques trois programmes successifs (Manteau supérieur , Géodynamique , Lithosphère ) tirant parti du développement de la géophysique marine et de l’avènement de la théorie des plaques.

Volcanologie

L’Association internationale de volcanologie et de chimie de l’intérieur de la Terre, après avoir été responsable de la géochimie profonde, est passée avec bonheur de la pétrologie des éruptions terrestres ou sous-marines et des épanchements basaltiques à la modélisation générale des phénomènes thermiques de toutes échelles: celle des dorsales, des zones de subduction, des «points chauds» intérieurs aux plaques; celle des chambres magmatiques; celle des circulations hydrothermales à la crête des dorsales, etc. Avec l’Association de sismologie, elle exploite les déterminations du flux de chaleur montant dans la croûte continentale ou océanique.

Les éléments radioactifs étant la source fondamentale de la chaleur interne, l’Association internationale de volcanologie et de chimie de l’intérieur de la Terre s’est également orientée vers la géothermie, la géologie isotopique et la géochronologie. Accessoirement, elle s’associe à l’étude des effets atmosphériques d’éruptions violentes (mont Saint Helens, El Chichón, Pinatubo, par exemple).

Géomagnétisme

Le magnétisme terrestre jette un pont entre géophysique interne et géophysique externe.

L’Association internationale de géomagnétisme et d’aéronomie porte ce double nom depuis 1954, date à laquelle l’accent mis pendant longtemps sur les mesures magnétiques en campagne (faites aussi aujourd’hui en avion ou en satellite) et sur les enregistrements des observatoires spécialisés s’est déplacé vers la haute atmosphère, que les véhicules spatiaux commençaient à explorer. Cette mutation de la technique vers la science a été suivie peu à peu par toutes les associations de l’U.G.G.I., et se reflètent dans leurs titres actuels.

Le champ magnétique varie et les géomagnéticiens, comme les météorologistes, font des observations continues et synoptiques. Renforcer la densité des stations correspondantes dans des régions déshéritées fut le but des Années polaires organisées en 1882-1883 et 1932-1933, périodes probables de minimums d’activité solaire, d’où une diminution des perturbations irrégulières ou de courte période. C’est au contraire pour mieux étudier ces perturbations que l’on fit coïncider avec un maximum solaire l’Année géophysique internationale (1957-1958), entreprise exemplaire étendue au monde entier et à la plupart des disciplines géophysiques, qui a inspiré le traité de l’Antarctique, créé les Jours mondiaux d’observations simultanées et les Centres mondiaux de données, stimulé les projets de lancement des premiers satellites.

Les variations magnétiques liées aux phénomènes solaires induisent des courants électriques dans l’ionosphère, dans la magnétosphère, et dans la Terre elle-même, où leur pénétration apporte des renseignements sur sa conductivité électrique. La partie principale du champ et sa variation séculaire sont d’origine interne; on est généralement d’accord pour les attribuer à une convection turbulente dans le noyau fluide, mais la théorie est encore incomplète.

Les observations magnétiques ne remontant qu’à un siècle, on les prolonge dans le passé historique en s’appuyant sur l’aimantation des terres cuites et, pour les temps géologiques, sur celle des roches (paléomagnétisme, reconstruction des continents). Des inversions mondiales du champ permettent de dater les fonds océaniques.

Météorologie

L’Association de météorologie et de physique de l’atmosphère regroupe des scientifiques, comme les autres associations de l’U.G.G.I., et entretient aussi des relations étroites avec la puissante Organisation météorologique mondiale, intergouvernementale, qui collecte les observations indispensables aux prévisions comme à la plupart des recherches. Pour tirer avantage des progrès de la théorie et de la technique (satellites, ordinateurs), les deux organismes ont lancé conjointement un immense programme (Global Atmospheric Research Program, G.A.R.P.) sur la circulation atmosphérique, assorti d’expériences régionales telles que Monex (Monsoon Experiment, étude de la mousson), Polex (Polar Experiment, étude des régions polaires), Alpex (Alpine Experiment, étude de la cyclogenèse alpine) et suivi du Programme climatique mondial, capital pour l’agriculture, consacré à la prévision climatologique font l’objet des programmes T.O.G.A. (Tropical Ocean and Global Atmosphere), W.O.C.E. (World Ocean Circulation Experiment) et J.G.O.F.S. (Joint Global Ocean Flux Study).

En contraste avec les recherches proprement météorologiques, axées sur la mécanique des fluides et la thermodynamique, la physico-chimie de l’atmosphère en étudie les constituants et leur évolution: l’eau avec ses multiples manifestations (nuages, précipitations, électricité) mais aussi le dioxyde de carbone et son effet de serre, l’ozone et son effet d’écran, deux gaz dont la teneur a été et continue d’être altérée par le développement industriel; il ne faut pas non plus oublier les autres gaz ni les aérosols présents dans les basses couches de l’atmosphère.

Hydrologie

Le domaine de l’Association internationale des sciences hydrologiques, contigu à celui de la météorologie et, en partie, à celui de la géomorphologie, est assez bien décrit par les titres de ses commissions permanentes: commission des eaux de surface, commission des eaux souterraines, commission de la neige et de la glace, commission de la qualité des eaux, commission de l’érosion continentale, commission des ressources en eau.

Toutes ces disciplines sont susceptibles d’applications immédiates, et le problème de l’eau, aujourd’hui crucial, a suscité la création de nombreux organismes. L’Association internationale des sciences hydrologiques participe notamment aux travaux du Cowar (Scientific Committee on Water Research, comité commun de l’I.C.S.U. et de l’Union des associations techniques internationales), qui a organisé avec l’U.N.E.S.C.O. la Décennie hydrologique internationale.

Océanographie physique

L’Association internationale des sciences physiques de l’océan a pris ce nom pour montrer qu’elle s’intéressait non seulement à la physique marine proprement dite, mais aussi à la mécanique des mouvements de la mer, à la chimie de ses eaux, à la sédimentation et à la nature géologique des fonds. Comme dans le cas de la météorologie ou de l’hydrologie, il existe à côté de l’Association d’autres organismes internationaux à vocation plus large: S.C.O.R. (Scientific Committee on Oceanic Research, avec la participation de biologistes), Comité océanographique international (dépendant de l’U.N.E.S.C.O.), Bureau hydrographique international, etc.

Couvrant plus des deux tiers de la Terre, l’océan joue un rôle fondamental dans tous les phénomènes d’échelle planétaire; l’océanographie physique a donc avec toutes les autres branches de la géophysique des liens aussi variés que les échanges à la surface des mers, les raz de marée, les fonds océaniques ou les glaces polaires. C’est probablement la partie de la physique du globe qui se développe le plus vite à l’échelle planétaire, comme en témoignent certaines polémiques à propos du droit de la mer.

3. Géophysique et environnement

Pour terminer cette revue rapide de la géophysique, indiquons que le géophysicien, au même titre que le naturaliste, s’inquiète aujourd’hui d’une disparition rapide des conditions qu’il a la tâche d’examiner. En contrepartie des services inestimables que leur rend la technique moderne, le sismologue est gêné par l’agitation industrielle, le géomagnéticien par les courants vagabonds, le météorologiste par les brouillards de la ville, l’océanographe et surtout l’hydrologue par la pollution croissante des eaux, etc. Ils peuvent heureusement apporter des méthodes pour estimer ces «nuisances». Il est cependant important et urgent de préserver des zones, comme l’Antarctique, où les recherches puissent se poursuivre, non seulement pour améliorer la connaissance des phénomènes et s’efforcer de prévoir les catastrophes possibles, mais pour mesurer les modifications subies par le milieu et pour éviter qu’elles ne deviennent irréparables.

géophysique [ ʒeofizik ] n. f.

• fin XIX^e; de géo- et physique

♦ Sc. Étude de la Terre par les méthodes de la physique. ⇒ aéronomie, climatologie, géomagnétisme, gravimétrie, hydrologie, sismologie, volcanologie. — Adj. Études, prospection géophysiques.

● géophysique nom féminin Étude de la Terre par les méthodes de la physique. Méthode de prospection fondée sur la mesure systématique de certaines grandeurs physiques susceptibles de distinguer des roches de composition chimique et minéralogique différente (conductibilité électrique ou sismique, susceptibilité magnétique, densité, etc.). ● géophysique (synonymes) nom féminin Étude de la Terre par les méthodes de la physique.

Synonymes :

- physique du globe

● géophysique adjectif Relatif à la géophysique.

géophysique

n. f. et adj. GEOL étude des phénomènes physiques naturels qui affectent le globe terrestre et son atmosphère.

|| adj. Phénomènes géophysiques. (V. dérive des continents, encycl. plaque et encycl. terre.)

⇒GÉOPHYSIQUE, subst. fém. et adj.

I. — Subst. fém. Ensemble de disciplines (géothermie, magnétisme, séismologie, sismique, volcanisme, etc.) qui ont pour objectif de préciser la structure, les propriétés et le comportement dynamique de la terre. L'étude de la genèse des roches, de leur évolution, du métasomatisme et du métamorphisme, demande le secours de la thermodynamique et de la géochimie, tandis que la géophysique apporte des renseignements sur la constitution interne du globe (Hist. gén. sc., t. 3, vol. 2, 1964, p. 508).

II. — Adj. Qui est relatif à la physique du globe. Étude géophysique. Les méthodes géophysiques donnent certains aperçus sur la constitution des fonds (FURON ds R. gén. sc., t. 63, 1956, p. 39).

♦ Prospection géophysique. Discipline appliquée à la recherche de substances utiles par une approche indirecte mettant en œuvre des moyens physiques (gravimétrie, magnétisme, sismique, etc.). La prospection géophysique est basée sur des phénomènes de pesanteur, de conductibilité électrique, de magnétisme, d'élasticité (CHARTROU, Pétroles natur. et artif., 1931, p. 39).

REM. Géophysicien, -ienne, subst. Personne dont le domaine d'activité ou de recherche est la géophysique. Les anomalies de la pesanteur sont interprétées surtout qualitativement par les géologues et les géophysiciens (Hist. gén. sc., t. 3, vol. 2, 1964, p. 456).

Prononc. : []. Étymol. et Hist. 1907 subst. fém. (Lar. pour tous). Composé de l'élém. géo- et de physique; cf. l'angl. geophysical (1888 ds NED, s.v. geo-) et geophysics (1889, ibid.). Bbg. RAMPON (A.). La Géotechn. Banque Mots. 1974, n° 8, p. 133.

géophysique [ʒeofizik] n. f.

ÉTYM. Fin XIX^e; de géo-, et -physique; cf. angl. geophysical, 1888.

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♦ Didact. (sc.). Étude des propriétés physiques du globe terrestre (mouvements de l'écorce, magnétisme terrestre, électricité terrestre, météorologie). — Adj. || Études, prospection géophysiques. || Observatoire géophysique. || Union géodésique et géophysique internationale.

0 Les études géophysiques sont fondées sur des observations de genres très divers, concernant la météorologie, la pesanteur, le magnétisme terrestre, l'électricité atmosphérique, la radio-électricité, la séismologie, l'actinométrie, les radiations qui parviennent du soleil ou des espaces cosmiques (…)

Charles Maurain, l'Étude physique de la terre, p. 7.

➪ tableau Noms de sciences et d'activités à caractère scientifique.

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DÉR. Géophysicien.

Encyclopédie Universelle. 2012.