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La graine du noyau de la Terre est-elle vraiment solide ?

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Le noyau de la Terre est généralement décrit sous la forme d'une double structure composée d'un alliage fer-nickel avec des traces d'autres éléments comme le soufre. Il y a le noyau supérieur liquide brassé par des mouvements de convection turbulents, à l'origine du champ magnétique terrestre, et la graine solide dont la croissance progressive par cristallisation de l'alliage précédent fournirait l'énergie nécessaire aux mouvements de convection du noyau supérieur. Le problème était que d'après les mesures d'ondes sismiques ayant traversé la graine, celle-ci se comportait par certains aspects comme un cristal solide et comme un fluide par certains autres. Une équipe de chercheurs Russes et Suédois vient de résoudre cette énigme en utilisant des simulations sur ordinateur, leurs travaux sont publiés dans Science.

Le noyeau de la Terre doit être composé du même alliage fer-nickel que cette sidérite. Notez la structure widmanstatten caractéristique après traitement à l'acide (Crédit : ENS Lyon).
Discontinuités des vitesses des ondes P à l'intérieur de la Terre (Crédit : Benoît Urgelli).

La discontinuité de phases dans le noyau est connue depuis longtemps et tous les étudiants en géologie et géophysique savent que, selon la composition minéralogique et l'état physique des roches, différents types d'ondes sismiques peuvent se propager ou pas et avec différentes vitesses. En effet, les ondes sismiques sont constituées essentiellement d'ondes de deux types, les ondes P qui traversent les liquides et les solides et les ondes S qui ne traversent que les solides. Des stations sismiques situées aux antipodes d'un séisme n'enregistrent pratiquement pas d'onde S. Ce qui veut dire, comme les géophysiciens Harold Jeffreys et surtout Inge Lehman l'avaient compris, qu'il doit exister un noyau liquide à l'intérieur de la Terre.

Une étude fine des proportions d'ondes P et S avait montré que le noyau ne pouvait pas être totalement liquide et qu'une composante solide, que l'on appelle la graine, devait aussi exister. Le problème était que la vitesse de propagation des ondes dans cette partie semblait plutôt indiquer un état liquide. Ce paradoxe subsistait donc depuis longtemps jusqu'à ce que Anatoly Belonoshko, et ses collègues du Royal Institute of Technology de Stochholm, décident d'employer la puissance des super-ordinateurs actuels pour simuler le comportement d'un ensemble d'atomes de fer-nickel dans les conditions de température et de pression régnant dans la graine. Ces conditions sont assez peu ordinaires, car rien que la température au centre de la Terre atteindrait les 6000 K, soit la température de surface du Soleil.

Des méthodes dites de dynamique moléculaire, dynamique de réseau et de Monte-Carlo permettent de simuler à peu de frais le comportement des solides et des liquides dans des conditions de pressions et de températures extrêmes, et c'est précisément la première méthode numérique qui a été utilisée au Center for Parallel Computers (PDC) du Royal Institute of Technology de Stockholm et au National Supercomputer Center (NSC) de Linköping.

Le résultat final a été, qu'effectivement, l'alliage perdait de sa rigidité et se rapprochait du comportement d'un milieu granulaire comme le sable. Le paradoxe était résolu car on n'avait plus affaire à un matériau constitué d'un cristal unique, mais plutôt à un solide polycristallin avec de nombreux défauts. Les atomes n'y étaient donc plus aussi rigidement fixés les uns par rapport aux autres que dans le même alliage dans des conditions de températures et pressions moins exotiques.

Pour les chercheurs, le résultat est double, car non seulement ils comprennent mieux ce qui se passe dans le noyau de la Terre mais ils pourront maintenant mieux comprendre certaines caractéristiques des ondes sismiques enregistrées et ainsi progresser dans la compréhension, et pourquoi pas la prédiction, des séismes.