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Découverte : la Terre a un double coeur solide !

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L'idée avait été proposée il y a une vingtaine d'années et elle vient aujourd'hui d'être confirmée par un groupe de géophysiciens de l'Université de l'Illinois. La graine, la partie solide du noyau de la Terre, n'est pas homogène. Elle possède elle-même un cœur ayant des propriétés physiques différentes.

A gauche Xiaodong Song et à droite Xinlei Sun. Crédit : L. Brian Stauffer

Le noyau de la Terre est fascinant à plus d'un titre pour un géophysicien, un géochimiste et un spécialiste de la matière condensée. Découvert grâce aux progrès de la sismologie au début du XXième siècle en 1906 par Richard Dixon Oldham, c'est la Danoise Inge Lehman qui précisera sa structure une première fois en 1936 en démontrant qu'à l'intérieur du noyau, que l'on pensait alors liquide et dont le diamètre est de 7.000 kilomètres, se trouve aussi une zone sphérique solide de 1.400 kilomètres de diamètre. Cette partie s'appelle la graine.

Les températures qui règnent dans le noyau sont particulièrement élevées et l'on pense même qu'elles peuvent atteindre celle de la surface du Soleil, c'est-à-dire 6.000 K. La partie fluide est parcourue par des mouvements turbulents et des courants électriques. C'est d'ailleurs à ce niveau que se génère le champ magnétique de la Terre, avec le fameux effet de dynamo auto-excitée récemment reproduit en laboratoire par l’expérience VKS.

En 2005, le géophysicien Xiaodong Song avait déjà fait partie d'un groupe de chercheurs ayant poussé plus loin notre connaissance des caractéristiques de l'intérieur de la Terre. Ils avaient en effet découvert la rotation différentielle du noyau de la Terre, celui-ci ne tournant pas à la même vitesse que le reste de la planète, c'est-à-dire le manteau et la croûte.

Aujourd'hui, ce brillant chercheur récidive avec sa collègue Xinlei Sun en publiant dans Earth and Planetary Science Letters les résultats d'une série de calculs menés à l'aide d'enregistrements de séismes répartis uniformément sur la planète.

A partir de ceux-ci, ils ont pu reconstituer l'effet du noyau de la Terre sur la propagation d'une onde sismique qui se serait propagée dans toutes les directions à l'intérieur de celui-ci. Comme toujours, la technique employée est analogue à celle de la tomographie bien connue en médecine. La conclusion des chercheurs est spectaculaire : il y a un noyau interne dans la graine.

Représentation de la graine avec le noyau interne en rouge. Les bâtonnêts représentent l'orientation des cristaux de fer et leurs longueurs indiquent l'importance des anisotropies de propagation des ondes sismiques induites. Crédit : Precision Graphics-University of Illinois at Urbana-Champaign

Un cœur de fer aux cristaux alignés sur la rotation de la Terre

Pour comprendre leur raisonnement, il faut savoir que selon les caractéristiques d'un matériau, par exemple la structure d'un réseau cristallin, des ondes lumineuses ne s'y propagent pas à la même vitesse ou pas avec la même facilité selon plusieurs directions. Lorsqu'il s'agit d'ondes élastiques, comme les ondes sismiques, des effets similaires peuvent se produire. On peut ainsi remonter, en mesurant ses anisotropies de propagation, à la structure du matériau dans une certaine mesure.

Ici, les chercheurs ont reconstruit une carte 3D des propriétés anisotropes de propagation des ondes sismiques dans la graine, composée d'un alliage cristallisé de fer et de nickel. Ils ont alors nettement mis en évidence une structure interne à l'intérieur de la graine différente des parties supérieures et où les anisotropies de propagation des ondes ne sont donc pas les mêmes.

Les mesures suggèrent que les cristaux de fer sont dans une phase cristalline différente, formant des structures alignées le long de l'axe de rotation de la Terre.