Sur cette image, une coupe de la météorite Gibeon, une sidérite octaédrite classée IV A, trouvée en Namibie en 1836. La belle structure de ses figures de Widmanstätten et son excellent état de conservation en font la météorite la plus utilisée en bijouterie mais, pour les géologues, elle donne des indices sur l'aspect du noyau en fer et en nickel de la Terre. © L. Carion, carionmineraux.com
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Le cœur de la Terre pourrait contenir les restes de l'équivalent de 70 océans

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[EN VIDÉO] Le géomagnétisme, ou les secrets du magnétisme de la Terre  Le magnétisme partout présent sur Terre fascine les Hommes depuis longtemps. Avant que son origine ne soit comprise, la fidélité de l'aiguille de la boussole, mais aussi ses étranges fantaisies, ont été exploitées. Des chercheurs de l'Institut de physique du Globe de Paris, l’IPGP nous expliquent cette science, le géomagnétisme, qui recèle encore bien des mystères. 

La composition exacte du noyau de la Terre se discute depuis un demi-siècle. Que ce dernier soit majoritairement composé d'un alliage de fer et de nickel ne fait pas débat mais le mystère reste entier quant à la nature exacte des éléments légers dont la présence est exigée par les données de la sismologie. Des expériences de physique des hautes pressions suggèrent qu'il pourrait y avoir au moins de l'hydrogène provenant d'un important apport initial en eau pour la Terre lors de sa formation par accrétion.

La première moitié du XXe siècle nous a donné les outils et les théories permettant de comprendre l'origine et la structure de la Terre, sismologie, spectrométrie de masse, physique des hautes pressions etc... Dans les trente années qui vont suivre, avec l'essor de la planétologie comparée rendue possible par l'ère spatiale, un modèle riche et cohérent va donc pouvoir être construit sur cette base. Le chemin parcouru se mesure en consultant le traité du Pape de la géophysique des années 1920 à 1950, le britannique Harold Jeffreys, celui de Don Anderson, Theory of the Earth, ou encore les cours du MIT.

L'étude des météorites s'est trouvée être précieuse elle aussi. Ainsi, au début des années 1950, le grand chimiste Harold Urey a exposé les résultats de ses travaux sur les météorites et, notamment, celles appelées chondrites qui sont particulièrement âgées puisqu'elles datent d'environ 4,56 milliards d'années, c'est-à-dire le début de la formation des planètes. Avec son élève Harmon Craig, il a classé les chondrites en fonction de leur richesse en fer et, surtout, selon leur contenu en particules de fer ou en fer oxydé lié à des silicates.

Il s'est avéré qu'une classe particulière de chondrites, les chondrites à enstatite, était en mesure d'illuminer le mystère de l'origine de la Terre et surtout de sa structure différenciée avec un noyau, un manteau et une croûte mise en évidence par les géologues et géophysiciens, notamment via la sismologie. En effet, lorsque l'on retire d'une chondrite à enstatite les particules de fer natif qu'elle contient, le résidu est chimiquement très proche des péridotites et autres roches qui constituent le manteau de la Terre. Mieux, le rapport entre la proportion de fer dans une chondrite à enstatite et ce résidu silicaté est également proche de celui entre le contenu en fer du noyau de notre Planète et son manteau silicaté.

« La géochimie et la cosmochimie, c'est l'étude des éléments chimiques pour comprendre l'histoire de la Terre et des planètes... ». Entretiens avec Manuel Moreira, professeur à l'Université Paris Diderot, et des membres de son équipe il y a huit ans. © Chaîne IPGP

Un noyau plus léger que prévu

C'est un résultat non trivial qui nous incite fortement à penser que la Terre est le produit de l'accrétion de nombreuses chondrites à enstatite. La chaleur d'accrétion libérée lors de leur chute sur la proto-terre, ainsi que celle issue des désintégrations radioactives, aurait ainsi conduit la Terre à fondre partiellement et les matériaux les plus lourds à percoler vers le centre de notre Planète pour former son noyau constitué d'un alliage de fer et de nickel. Ce scénario de différenciation s'est sans aucun doute reproduit pour des embryons de planètes au début de la formation du Système solaire. Les météorites que l'on appelle de sidérites seraient des vestiges des cœurs métalliques de ces corps célestes détruits par des collisions géantes.

Or, il existe une énigme en ce qui concerne le cœur de la Terre. Tous calculs faits à partir des données géophysiques et géologique, ce cœur est plus léger que s'il était constitué uniquement de fer et de nickel. On sait que certains éléments sont sidérophiles et d'autres lithophiles. Comme ces noms l'indiquent, les derniers préfèrent se retrouver avec des silicates contenant de l'oxygène et les premiers avec des composés ferreux. On doit cette classification au chimiste Victor Goldschmidt.

On spécule donc sur les éléments sidérophiles qui auraient percolé avec le fer pendant la formation rapide du noyau de la Terre et qui expliqueraient donc sa densité plus faible que naïvement prédite. Futura a consacré plusieurs articles à cette question dont le précédent ci-dessous. Aujourd'hui, une équipe de chercheurs, japonais pour la plupart, relance le débat quant à l'identité de ces éléments avec une publication dans Nature Communications.

Pour recréer les conditions régnant dans le manteau terrestre en laboratoire, de très petits morceaux d'oxyde fer magnétique peuvent été placés entre les pointes de deux diamants. Les diamants ont été pressés l’un contre l’autre afin de produire des pressions atteignant 90 GPa. Un faisceau laser infrarouge peut alors chauffer l’échantillon jusqu’à 1.000 °C. Traduction en français en cliquant sur le rectangle blanc en bas à droite, puis sur l'écrou, ensuite sur « Sous-titres » et « Traduire automatiquement ». © Carnegie Science

70 fois les océans de la Terre piégés dans son intérieur ?

Les cellules à enclumes de diamant décrites dans la vidéo ci-dessus sont un grand classique des expériences de la physique des hautes pressions. Dans le cas présent, les géochimistes et géophysiciens ont voulu reproduire les conditions de pression et de température régnant à l'interface du manteau et du noyau de la Terre lors de sa différenciation, en l'occurrence entre 30 et 60 gigapascals pour la pression et des températures allant de 3.100 à 4.600 kelvins.

Dans des conditions plus clémentes, on savait que des roches silicatées contenant de l'eau, comme celles dans le manteau de la Terre, vont la garder et pas un alliage à base de fer et de nickel. Mais les chercheurs ont découvert que l'hydrogène de l'eau devenait sidérophile alors que l'oxygène restait lithophile, comme ils s'en doutaient.

Cela change les perspectives en ce qui concerne le contenu en eau de la Terre. En effet, il se pourrait qu'une partie très importante de cette eau qui aurait été apportée au tout début de la formation de notre Planète par l'accrétion de petits corps célestes se soit rapidement retrouvée, au moins en ce qui concerne ses atomes d'hydrogène dans le noyau de la Terre. Ce faisant, de 30 à 60 % du déficit en densité de ce noyau pourrait provenir du fait qu'il contient des atomes d'hydrogène à la place de certains atomes de fer et de nickel.

Selon les chercheurs, ce pourrait être au moins l'équivalent de 70 fois le contenu des océans de notre Planète bleue qui pourrait ainsi avoir disparu. La part d'hydrogène se retrouvant au cœur de la Terre. Sans cela, peut-être que nous ne serions pas là pour en parler, car la Terre aurait évolué en une vraie planète océan. Il est intéressant de se rappeler que l'on soupçonne la présence de restes d'importantes quantités d'eau associés à un minéral, la ringwoodite, dans le manteau de la Terre.

Pour en savoir plus

Il y aurait bien de l'oxygène dans le noyau de la Terre

Article de Laurent Sacco publié le 04/08/2014

On discute de la composition exacte du noyau de la Terre depuis un demi-siècle. Qu'il soit majoritairement composé d'un alliage de fer et de nickel ne fait pas débat mais on ignorait la nature exacte des éléments légers dont la présence était exigée par les données de la sismologie. Des calculs sur ordinateurs indiquent maintenant qu'il devrait y avoir au moins de l'oxygène.

L'existence du noyau de la Terre a été établie il n'y a guère plus d'un siècle alors que la sismologie était encore balbutiante. Il faudra attendre 1936 pour que la Danoise Inge Lehman précise sa structure en démontrant qu'à l'intérieur du noyau (que l'on pensait alors liquide et dont le diamètre est de 7.000 km) se trouve aussi une zone sphérique solide de 1.400 km de diamètre : la graine.

La théorie de l'accrétion homogène, la plus communément admise pour la formation de la Terre, implique que notre planète s'est formée avec une composition chimique relativement homogène mais qu'en moins de 30 millions d'années, elle s'est différenciée avec la chute des éléments lourds (majoritairement le fer et le nickel) vers son centre pour former son noyau. Le même phénomène s'est produit au sein des petits corps célestes rocheux et c'est pourquoi on peut avoir une idée de l'apparence et de la composition de la matière composant le noyau de la Terre en étudiant des météorites, les sidérites.

Les températures qui règnent dans le noyau sont particulièrement élevées et on pense même qu'elles peuvent atteindre celle de la surface du Soleil, c'est-à-dire 6.000 kelvins. La partie fluide est parcourue par des mouvements turbulents et des courants électriques. C'est d'ailleurs à ce niveau qu'est généré le champ magnétique terrestre, avec le fameux effet de dynamo autoexcitée récemment reproduit en laboratoire par l'expérience VKS. Le noyau est fascinant à plus d'un titre pour un géophysicien, un géochimiste ou un spécialiste de la matière condensée. Depuis 50 ans, il fait l'objet d'un débat concernant sa composition exacte.

Une vision d'artiste de la Terre alors qu'elle venait juste de se différentier en formant son noyau et son manteau à l'Hadéen il y a plus de 4,5 milliards d'années. Le bombardement de petits corps célestes était encore intense. © Antoine Pitrou, IPGP

L'analyse des ondes sismiques permet de remonter à la nature des matériaux dans lesquels elles se propagent et de faire des comparaisons avec ceux obtenus dans des expériences en laboratoire recréant les hautes pressions et températures régnant à l'intérieur de la Terre. Il y a un demi-siècle, Francis Birch, l'un des pionniers de la géochimie des hautes pressions avec Alfred Ringwood et Percy Bridgman, en avait conclu que le noyau était plus léger que s'il était fait uniquement de fer et de nickel. Des éléments plus légers comme l'oxygène, le phosphore, le magnésium et l'azote pouvaient s'y trouver en faibles quantités, mais sans que l'on puisse savoir lesquels tant qu'il restait impossible de reproduire en laboratoire les conditions régnant dans le noyau.

Un alliage simulé sur ordinateur à partir de la physique quantique

Cela vient de changer grâce aux travaux d'une équipe internationale de chercheurs de l'Institut de physique du globe de Paris (CNRS, Paris Diderot, Cité Paris Sorbonne), de l'EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suisse) et de l'University College London (Royaume-Uni). Ces chercheurs viennent de publier un article sur cet épineux problème dans la célèbre revue PNAS.

Des méthodes numériques 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 encore inatteignables en laboratoire. Les chercheurs ont employé la première à l'aide d'un ordinateur. Elle permet de calculer ab initio les forces quantiques entre les atomes formant différents alliages métalliques de fer, nickel et autres éléments légers (carbone, oxygène, silicium, soufre) ainsi que le comportement de ces alliages lorsqu'ils sont traversés par des ondes sismiques. Il est donc possible d'en tirer un spectre caractéristique pour ces ondes en fonction de la température, de la pression et de la composition de l'alliage et de faire la comparaison avec les données de la sismologie.

Les géophysiciens pensent qu'ils ont réussi à démontrer que le noyau doit contenir de l'oxygène. Il pourrait aussi contenir en plus du silicium, du soufre ou du carbone. La solution qui reproduit le mieux les observations est celle que l'on obtient en supposant que l'oxygène est le seul élément léger présent et qu'il constitue de 6 à 7 % de l'alliage de fer et de nickel. S'ils ont raison, ce modèle géochimique du noyau pose des contraintes pour les modèles de formation de la Terre construits par les planétologues et les astrophysiciens qui tentent de comprendre l'origine et l'évolution du Système solaire et des exoplanètes.

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