Sciences de la Terre

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Les sciences de la Terre regroupent les sciences dont l'objet est l'étude de la Terre (lithosphère, hydrosphère et atmosphère) et de son environnement spatial ; en tant que planète, la Terre peut servir de paradigme à l'étude d'autres planètes et, depuis que des sondes spatiales permettent d'explorer d'autres objets du système solaire, la planétologie est aussi classée parmi les sciences de la Terre. Celle-ci étudie notamment la Lune, les planètes et leurs satellites naturels, les astéroïdes, les météorites et les comètes.

[modifier] Principaux domaines

[modifier] Sciences géologiques

La géologie est la science qui, historiquement, s'occupait de la description et de l'histoire des couches externes de la Terre. Elle s'intéresse traditionnellement à la composition, à la structure et à l'évolution de la surface et des couches superficielles de la croûte qui, au cours des processus géologiques, sont tantôt enfouies sous la surface, tantôt exposées à la surface. Depuis le milieu des années 1960, avec l'avènement de la tectonique des plaques remplaçant l'ancienne théorie de la dérive des continents d'Alfred Wegener, les géologues ont trouvé un cadre plus général et plus approprié dans lequel placer et interpréter leurs observations. Le résultat en est que les géologues s'intéressent maintenant aussi à des zones plus profondes de la croûte et du manteau de la Terre, qui avant 1965 furent essentiellement l'apanage des géophysiciens. Il en résulte un brassage des idées profitable pour l'ensemble des sciences de la Terre. Néanmoins, il convient de constater que si les géologues tiennent compte dans leurs modèles géologiques des acquis de la géophysique interne, cette dernière fait appel à des modèles physiques suffisamment simples pour être mis en équations et dégager des résultats quantitatifs, tandis que les modèles géologiques sont souvent assez complexes mais restent qualitatifs. Les sciences géologiques, organisées à l'échelle mondiale dans l'Union internationale des sciences géologiques, comprennent plusieurs disciplines, parmi lesquelles on peut noter :

la géologie proprement dite et la géologie physique, qui décrit en termes géologiques la vision que la géophysique fournit de la Terre ;
la géologie structurale ou tectonique, dont le pendant géophysique est la tectonophysique, est la science qui étudie les déformations de la Terre et les structures de l'écorce terrestre produites par des mouvements orogéniques, éventuellement par les mouvements des plaques terrestres ;
la paléontologie étudie les fossiles, c'est–à-dire les restes fossilisés des nombreuses formes de vie ayant peuplé la Terre dans le passé et fournit les bases pour comprendre l'évolution de la vie ; en toute objectivité, il convient de considérer que sans la paléontologie et la stratigraphie qui en découle, la géologie n'aurait probablement jamais vu le jour ;
la sédimentologie étudie les phénomènes d'érosion des roches et le dépôt des débris sous forme de sédiments, la transformation de ces derniers par diagenèse en roches sédimentaires compactes, et la succession des diverses strates sédimentaires dans le temps et dans l'espace ;
la pétrologie ou la pétrographie constituent la science des roches ; elles s'intéressent à l'origine, à la formation et à l'évolution des roches, ainsi qu'à leur description, à leur texture et à leurs propriétés ;
la minéralogie étudie la nature, la composition et la structure cristalline des minéraux et se rattache à la fois à la géologie et à la cristallographie, cette dernière faisant partie de la physique ;
la géomorphologie s'intéresse à l'origine et à l'évolution du relief, et plus particulièrement aux processus qui interagissent en façonnant les paysages, à toutes les échelles de temps et d'espace, sur l'interface entre la lithosphère, l'hydrosphère et l'atmosphère ; le plus souvent, on range la géomorphologie parmi les sciences géographiques plutôt que géologiques, car c'est l'une des branches de la géographie physique ;
l'hydrogéologie étudie les aspects géologiques de la hydrologie, cette dernière étant plutôt classée parmi les sciences géophysiques (sciences des couches-limites) ; elle possède de nombreuses relations avec la karstologie, science qui traite des milieux karstiques, de la formation des grottes et de la circulation des eaux souterraines ; les connaissances acquises en karstologie et en hydrogéologie sont en grande partie le fait de la spéléologie (exploration des grottes souterraines), laquelle reçoit en retour des informations très précieuses de ces sciences ;
la limnologie s'intéresse à l'étude des eaux continentales et des organismes qui y vivent ; elle concerne à la fois les sciences géologiques et les sciences biologiques ; de même, la pédologie, qui constitue la science des sols, est une discipline aux frontières de la géologie (étude de l'altération des roches, évolution mécanique et chimique des sols) et de la biologie (rôle des organismes dans l'altération de la roche mère et l'évolution du sol) ;
la volcanologie étudie la nature physico-chimique des volcans et leur dynamique propre ; on la classe à la fois parmi les sciences géologiques et parmi les sciences géophysiques, de même d'ailleurs que la géochimie qui étudie la composition chimique des roches, que ce soit en éléments majeurs ou en éléments traces, ainsi que la géochronologie qui permet, grâce à diverses méthodes radiométriques, de dater une roche ou un de ses constituants.
la pédologie étudie les différents composants du sol, leurs caractéristiques morphologiques, minéralogiques, physico-chimiques.

[modifier] Sciences géodésiques et géophysiques

La géodésie et la géophysique sont des sciences qui étudient la Terre par des méthodes mathématiques et physiques. Elles sont regroupées officiellement dans le cadre de l'Union géodésique et géophysique internationale, qui comprend les sept subdivisions suivantes, formant autant d'associations internationales : (1) géodésie ; (2) géomagnétisme et aéronomie spatiale ; (3) sciences hydrologiques ; (4) météorologie et sciences de l'atmosphère ; (5) sciences physiques de l'océan ; (6) sismologie et physique de l'intérieur de la Terre ; (7) volcanologie et chimie de l'intérieur de la Terre. On subdivise ces différents domaines de la géophysique souvente en géophysique interne, en géophysique des couches-limites et en géophysique externe comme suit :

[modifier] Géophysique interne :

la géodésie s'intéresse à la figure, autrement dit à la forme et aux dimensions de la Terre, et s'avère utile pour déterminer les déformations en surface de la Terre et, depuis le dernier quart du XX^e siècle, de mettre en évidence des mouvements de plaques tectoniques.
la gravimétrie étudie le champ de pesanteur terrestre et constitue une partie essentielle de la géodésie physique ; on utilise les techniques gravimétriques couramment pour une première reconnaissance de champs pétrolifères ou miniers (prospection gravimétrique) ou archéologique (zonage microgravimétrique).
le géomagnétisme étudie l'origine et les variations spatiales et temporelles du champ magnétique de la Terre ; on distingue le géomagnétisme interne, dont l'étude relève de la géophysique interne, et le géomagnétisme externe, dont l'étude se place dans le cadre de l'aéronomie spatiale et de l'étude des interactions entre le Soleil et la Terre ; le paléomagnétisme constitue un domaine à part du géomagnétisme interne et fournit, au moyen de l'étude de l'aimantation fossile des roches, des indications sur le mouvement des plaques tectoniques au cours des époques géologiques ; l'archéomagnétisme, qui fut à l'origine du paléomagnétisme, est une méthode permettant d'étudier les variations du champ géomagnétique au cours des derniers millénaires et constitue accessoirement une méthode de datation de certains sites archéologiques ;
la sismologie étudie l'origine, la nature et les effets des séismes ; elle est sans doute la science ayant contribué le plus à la connaissance de l'intérieur de la Terre ; en particulier, la sismologie théorique étudie la propagation des ondes sismiques et les oscillations libres de la Terre ; la sismologie instrumentale s'occupe de développer et de construire des instruments utilisés pour détecter et enregistrer des vibrations sismiques (sismographes) ; la sismologie expérimentale s'occupe, parmi beaucoup d'autres choses, de l'analyse et de l'interprétation des sismogrammes et de la définition des magnitudes et des moments sismiques ; la sismogenèse s'intéresse aux phénomènes de microfissuration, de fracturation et de rupture qui sont à l'origine des séismes (mécanisme au foyer) ; la sismotectonique traite la relation entre les tremblements de terre et la tectonique ; la paléosismologie tente de découvrir dans les strates géologiques des indications sur des séismes passés et de dater ceux-ci afin de recueillir des données pour les besoins d'une prévision statistique des séismes ;
la géodynamique, et notamment la géodynamique mathématique, étudie les déformations globales de la Terre produites notamment par les forces de marée luni-solaires ou par des charges périodiques ou non (houle, pression atmosphérique variable, raz de marée, ...), les mouvements de précession et de nutation de la Terre dans l'espace, les courants de convection dans le manteau, le soulèvement post-glaciaire et les renseignements qu'on peut en tirer concernant la viscosité des couches profondes, etc. ;
la géophysique mathématique, dont le but principal est de modéliser quantitativement la structure de l'intérieur de la Terre en utilisant les lois fondamentales de la physique et des méthodes avancées de traitement statistique des données (inversion, tomographie).
la géophysique appliquée s'intéresse aux couches externes de la croûte terrestre et a pour but de rechercher des gisements de pétrole et de minerais utiles ; on peut aussi englober dans la géophysique appliquée certaines études environnementales qui font appel à des méthodes géophysiques (géophysique environnementale). Les méthodes les plus importantes auxquelles la prospection géophysique et la géophysique environnementale font appel sont la sismique réflexion et la sismique réfraction (méthodes de prospection qui visualise les structures en profondeur grâce à l'analyse des échos d'ondes sismiques créées artificiellement par des explosions ou par des appareils générateurs de vibrations proches de la surface du sol), la prospection gravimétrique, la prospection magnétique, la prospection électrique, la prospection électromagnétique et le géoradar ; le génie sismique, qui essaie notamment de dresser des cartes de risque sismique, de fixer des normes antisismiques, de prévoir éventuellement des séismes, etc., peut aussi se ranger parmi les domaines de la géophysique environnementale, de même que la volcanologie, la géothermie et l'étude du flux de chaleur sortant de la Terre, ou encore les problèmes liés à la sécurité dans les zones minières et à l'amélioration de l'environnement et de la sécurité en général (prévision de risques liés au sous-sol et au sol, études d'impact, implantation d'ouvrages d'art, étudiés notamment en géotechnique.

[modifier] Géophysique des couches-limites :

l'océanographie et l'océanologie physique étudient les mouvements et les divers phénomènes océaniques (marées, courants, vagues, ...) ;
l'hydrologie étudie notamment la physique, la chimie et la circulation des eaux dans les rivières et les lacs, et les variations de la nappe phréatique ;
la météorologie s'occupe de la circulation des masses d'air et de la prévision des phénomènes atmosphériques, notamment du temps, des tempêtes et des ouragans ;
la climatologie étudie les différents climats et explique les mouvements atmosphériques à grande échelle et à long terme ;
la glaciologie étudie la nature physique et chimique des systèmes glaciaires et périglaciaires.

[modifier] Géophysique externe :

le géomagnétisme externe étudie les variations rapides du champ géomagnétique (pulsations, baies, orages magnétiques), et s'inscrit dans le cadre général de
l'aéronomie spatiale, qui étudie la haute atmosphère (stratosphère, ionosphère), la magnétosphère, le vent solaire et les relations soli-terrestres, lesquelles sont à l'origine des aurores polaires.

[modifier] Science météorologique

Le but de la météorologie est de trouver les lois régissant la dynamique du fluide que l'on nomme l'air et de pouvoir prédire son comportement futur. L'air est un fluide compressible, formé de différents gaz et se trouvant dans une mince couche à la surface d'un référentiel en rotation (la Terre). La météorologie étant une branche de la physique, la théorie des fluides, le calcul des forces et la thermodynamique sont mises à profit pour expliquer le comportement de l'atmosphère.