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

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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.

On voit 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

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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