La géosphère fournit les ressources minérales, les matériaux de construction, les métaux stratégiques, les combustibles fossiles, les réservoirs géothermiques et les aquifères qui soutiennent les sociétés humaines. Elle est également à l'origine de nombreux aléas naturels, tels que les séismes, les éruptions volcaniques, les glissements de terrain et certains tsunamis. L'histoire de la Terre, la répartition des continents, l'évolution du climat, l'apparition des ressources naturelles et le développement de la vie sont indissociables de la dynamique géosphérique.

Structure interne.
La structure interne de la géosphère est principalement connue grâce à la sismologie. Les ondes sismiques produites par les tremblements de terre se propagent différemment selon la densité, la rigidité et l'état physique des matériaux traversés. Les ondes P, ou ondes de compression, se propagent aussi bien dans les solides que dans les liquides, tandis que les ondes S, ou ondes de cisaillement, disparaissent dans les milieux liquides. L'analyse des temps d'arrivée de ces ondes, de leurs réflexions et de leurs réfractions a permis de mettre en évidence plusieurs grandes enveloppes concentriques présentant des propriétés physiques distinctes. Les discontinuités sismiques majeures, telles que la discontinuité de Mohorovičić, la discontinuité de Gutenberg et la discontinuité de Lehmann, délimitent respectivement la transition entre la croûte et le manteau, entre le manteau et le noyau externe, puis entre le noyau externe liquide et le noyau interne solide.

• La croûte terrestre représente la couche la plus superficielle de la géosphère. Son épaisseur varie considérablement selon les régions. La croûte océanique mesure généralement entre 5 et 10 kilomètres d'épaisseur, tandis que la croûte continentale atteint couramment 30 à 40 kilomètres et peut dépasser 70 kilomètres sous les grandes chaînes de montagnes. La croûte océanique est principalement constituée de basaltes et de gabbros riches en magnésium, en fer et en calcium. Elle est relativement jeune, son âge ne dépassant généralement pas 200 millions d'années en raison de son recyclage permanent au niveau des zones de subduction. La croûte continentale est plus épaisse, plus ancienne et plus hétérogène. Elle est dominée par des roches granitiques, gneissiques, métamorphiques et sédimentaires. Certaines portions des cratons continentaux conservent des roches âgées de plus de quatre milliards d'années, témoins des premières étapes de l'évolution terrestre.

• Le manteau se situe sous la croûte. Il représente environ 84 % du volume terrestre et près de 67 % de sa masse. Le manteau est essentiellement composé de silicates riches en magnésium et en fer, notamment d'olivine, de pyroxènes et de grenats. Il est traditionnellement subdivisé en manteau supérieur, zone de transition et manteau inférieur. Le manteau supérieur s'étend jusqu'à environ 410 kilomètres de profondeur. Entre 410 et 660 kilomètres se situe la zone de transition, caractérisée par des changements de structure cristalline des minéraux sous l'effet de l'augmentation de la pression. Le manteau inférieur s'étend ensuite jusqu'à environ 2900 kilomètres de profondeur. Malgré son caractère solide, le manteau présente un comportement rhéologique visqueux sur les longues échelles de temps, ce qui permet le développement de mouvements de convection responsables de la dynamique interne de la Terre.

• La lithosphère correspond à l'ensemble rigide constitué de la croûte et de la partie supérieure du manteau. Son épaisseur varie entre une cinquantaine de kilomètres sous les dorsales océaniques et plus de deux cents kilomètres sous certains cratons continentaux. Cette enveloppe rigide est fragmentée en plusieurs plaques lithosphériques qui se déplacent lentement les unes par rapport aux autres. Sous la lithosphère se trouve l'asthénosphère, une région du manteau supérieur présentant une viscosité plus faible en raison de températures élevées et d'une très faible proportion de fusion partielle. L'asthénosphère facilite les mouvements des plaques lithosphériques en servant de couche de découplage mécanique.

• Le noyau terrestre occupe la région centrale de la planète. Il est essentiellement constitué de fer et de nickel, auxquels s'ajoutent des éléments plus légers tels que le soufre, le silicium, l'oxygène ou le carbone. Le noyau externe, liquide, s'étend entre environ 2900 et 5150 kilomètres de profondeur. Les mouvements convectifs du métal liquide, combinés à la rotation terrestre, génèrent le champ magnétique par effet dynamo. Ce champ magnétique protège la Terre contre une grande partie des particules énergétiques provenant du vent solaire. Le noyau interne, quant à lui, est solide malgré des températures estimées entre 5000 et 6000 °C, en raison des pressions considérables qui dépassent 350 gigapascals. Les études récentes suggèrent que le noyau interne présente une structure complexe, marquée par une anisotropie sismique et peut-être même par la présence d'un noyau interne le plus profond possédant des propriétés cristallographiques différentes.

Activité. cycles.
La géosphère est le siège d'un cycle pétrologique permanent, appelé cycle des roches. Les roches magmatiques résultent de la cristallisation de magmas issus de la fusion partielle du manteau ou de la croûte. Elles peuvent être plutoniques lorsqu'elles cristallisent lentement en profondeur ou volcaniques lorsqu'elles refroidissent rapidement en surface. Les roches sédimentaires proviennent de l'altération, de l'érosion, du transport et de la lithification de matériaux préexistants. Elles enregistrent une grande partie de l'histoire des environnements anciens et renferment la majorité des fossiles. Les roches métamorphiques résultent de la transformation à l'état solide de roches préexistantes sous l'effet de nouvelles conditions de pression et de température, sans fusion complète. Ces transformations s'accompagnent de recristallisations minéralogiques et de modifications texturales parfois très importantes.

L'activité interne de la géosphère est dominée par la tectonique des plaques. Les plaques lithosphériques divergent au niveau des dorsales océaniques, convergent au niveau des zones de subduction ou de collision continentale, ou coulissent le long de grandes failles transformantes. Cette dynamique contrôle la formation des océans, des chaînes de montagnes, des fosses océaniques, des arcs volcaniques et de nombreux bassins sédimentaires. Les mouvements des plaques sont alimentés par les transferts de chaleur au sein du manteau, auxquels s'ajoutent les forces gravitaires liées à l'enfoncement des plaques océaniques froides dans les zones de subduction et à la poussée exercée par les dorsales.

Le volcanisme constitue une manifestation directe de l'activité interne de la géosphère. Les magmas se forment principalement dans trois contextes géodynamiques : les dorsales océaniques, où la fusion est provoquée par la décompression du manteau; les zones de subduction, où l'apport d'eau favorise la fusion partielle du manteau sus-jacent; et les points chauds, où des panaches mantelliques remontent depuis les profondeurs. Les produits volcaniques comprennent des laves, des cendres, des bombes volcaniques, des gaz et divers dépôts pyroclastiques. Les éruptions influencent durablement les paysages, le climat, les cycles biogéochimiques et parfois l'évolution biologique lorsqu'elles atteignent une ampleur exceptionnelle.

Les séismes traduisent la rupture brutale des roches le long de failles lorsque les contraintes accumulées dépassent leur résistance mécanique. La majorité des séismes se concentre aux limites des plaques tectoniques, mais certains surviennent également à l'intérieur des plaques. Les grands séismes peuvent provoquer des tsunamis, des glissements de terrain et d'importantes modifications de la topographie régionale.

Les processus de surface modifient continuellement la géosphère sous l'action des agents externes. L'altération physique fragmente les roches par l'action des variations thermiques, du gel, de la cristallisation des sels ou de la décompression. L'altération chimique transforme les minéraux sous l'effet de l'eau, de l'oxygène, du dioxyde de carbone et des acides organiques. L'érosion transporte ensuite les produits de cette altération par les cours d'eau, les glaciers, le vent ou la pesanteur. Les sédiments s'accumulent dans les bassins où ils subissent progressivement la diagenèse, conduisant à la formation de nouvelles roches sédimentaires.

Interactions avec les autres composantes du système Terre.
La géosphère entretient des interactions étroites avec les autres composantes du système Terre. Les échanges avec l'atmosphère interviennent notamment par le volcanisme, qui libère de nombreux gaz, mais également par l'altération chimique des silicates, processus fondamental dans la régulation du dioxyde de carbone atmosphérique sur les temps géologiques. Les interactions avec l'hydrosphère concernent les circulations d'eaux souterraines, les échanges hydrothermaux au niveau des dorsales océaniques et les phénomènes d'érosion et de sédimentation. Les interactions avec la biosphère sont tout aussi importantes. Les organismes vivants accélèrent l'altération des roches, contribuent à la formation des sols, produisent des carbonates biogéniques et influencent les grands cycles du carbone, de l'azote, du phosphore et du soufre.

Les sols constituent l'interface entre la géosphère, l'atmosphère, l'hydrosphère et la biosphère. Ils résultent de l'altération des roches mères combinée à l'action des organismes vivants, des variations climatiques, du relief et du temps. Les sols jouent un rôle essentiel dans le stockage de l'eau, le recyclage des nutriments, le maintien de la biodiversité terrestre et la séquestration du carbone organique. Leur évolution dépend étroitement des caractéristiques minéralogiques et géochimiques de la géosphère sous-jacente.

À l'échelle des temps géologiques, la géosphère connaît des transformations majeures. Les continents se fragmentent et se rassemblent périodiquement selon le cycle de Wilson, conduisant à la formation puis à la dislocation de supercontinents tels que Rodinia, Pannotia et la Pangée. Ces réorganisations modifient profondément la circulation océanique, le climat, la biodiversité et les conditions de sédimentation. Les épisodes orogéniques, les grandes provinces magmatiques, les inversions du champ magnétique, les impacts météoritiques et les variations du niveau marin participent également à l'évolution continue de la géosphère.