Au Précambrien, notre planète aurait bien pu avoir plus de deux pôles magnétiques. Ici, une représentation du champ magnétique terrestre actuel. © Marc Ward, Shutterstock

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La Terre aurait eu plusieurs pôles nord il y a un milliard d'années

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Le décryptage de nouvelles archives paléomagnétiques de la Terre donne du crédit à une théorie avancée il y a quelque temps sur la base de simulations numériques. Le début de la solidification du noyau de la Terre il y a environ 600 millions d'années aurait relancé sa géodynamo déclinante qui produisait alors plus de deux pôles magnétiques.

Les anorthosites sont des roches plutoniques sur Terre, qui se sont refroidies à partir d'un magma sous sa surface, présentes essentiellement dans des terrains âgés d'il y a entre 2.500 et 500 millions d'années. On en trouve aussi beaucoup à la surface de la Lune. Ce sont des roches qui contiennent majoritairement des feldspaths plagioclases mais aussi des minéraux comme les pyroxènes. Leur étude renseigne donc sur des périodes reculées de l'Histoire de la Terre et nous venons d'en avoir une nouvelle démonstration avec un article publié dans Nature Geoscience par une équipe de chercheurs anglo-saxons. Cette étude apporte de l'eau au moulin à une théorie avancée il y a quelques années concernant la date du début de la formation de la partie solide du noyau de la Terre, sa graine découverte par la Danoise Inge Lehmann, comme l'expliquait Futura dans un précédent article (voir ci-dessous).

Richard Bono, John Tarduno, Francis Nimmo et Rory Cottrell se sont en effet intéressés à des anorthosites bien connues que l'on trouve dans la région de la Côte-Nord au Québec, plus précisément non loin de la ville de Sept-Îles au nord-est du Canada. Ces roches intrusives se sont mises en place pendant la dernière période géologique du précambrien, c'est-à-dire pendant l'Édiacarien qui s'étend de -635 à -541 millions d'années. Ils ont montré que les minéraux de ces anorthosites, en se refroidissant, ont conservé fidèlement les caractéristiques du champ magnétique de cette époque avec une résolution temporelle et sur une durée remarquable. Contrairement aux « petits bouts de bandes magnétiques », si l'on peut dire, retrouvés auparavant concernant l'Édiacarien, on dispose maintenant d'enregistrements plus longs et plus complets.

Découvrez une série d'entretiens avec Yves Gallet, chercheur IPGP-CNRS, ainsi qu'avec des membres de l'équipe de recherche sur le paléomagnétisme. © Chaîne IPGP, YouTube

Bien rodée maintenant, la science du paléomagnétisme nous permet de déchiffrer ces enregistrements. Elle nous montre qu'il y a environ 565 millions d'années, et pendant une durée d'au moins 75.000 ans, le champ magnétique local était 10 fois plus faible qu'aujourd'hui avec une orientation complexe et rapidement variable, ce qui est très différent du champ dipolaire stable que l'on connaît généralement sur Terre.

Des inversions magnétiques rapprochées ou une géodynamo à l'agonie ?

De précédentes observations avaient déjà conduit à des conclusions similaires en ce qui concerne le champ magnétique global de la Terre pendant l'Édiacarien, mais pas avec la même résolution temporelle. On pouvait donc interpréter les anomalies paléomagnétiques comme une série d'inversions rapides de la polarité du champ magnétique de la Terre qui produisent justement ce type d'anomalies. Sauf que nous savons que toutes les autres inversions se produisent en moins de 5.000 ans. Comment alors interpréter ces nouveaux résultats ?

Une possibilité, pointée d'ailleurs par les auteurs de l'article de Nature Geoscience, est que ces archives paléomagnétiques confirment les travaux menés il y a quelques années par leur collègue Peter Driscoll. Le chercheur voulait avoir la clé d'une énigme.

Nous savons que le champ magnétique de la Terre est produit par une géodynamo selon des processus que l'on peut reproduire en laboratoire, par exemple avec l'expérience VKS. Cette géodynamo est la résultante subtile de courants de convection dans le noyau liquide, composé d'un alliage essentiellement de fer et de nickel de la Terre. Or, ce noyau doit refroidir au cours du temps. Il y a cependant des incertitudes concernant ce processus de refroidissement qui doit conduire à un moment à la cristallisation de l'alliage. Ces incertitudes ne permettaient pas de donner une date précise, on savait juste que cela devait s'être produit il y a entre 2.500 et 500 millions d'années. Cette cristallisation devait être d'importance car la chaleur latente libérée par le processus compte dans les ressources en énergie permettant de maintenir les mouvements de convection et la géodynamo.

Impossible d'avoir accès au noyau, Peter Driscoll s'est donc rabattu sur des simulations numériques performantes qui l'ont conduit au scénario suivant. Entre il y a environ un milliard d'années et 500 millions d'années, la convection thermique dans le noyau est devenue faible à cause de son refroidissement, ce qui a provoqué une baisse de son intensité et l'a rendu instable au point que plus de deux pôles magnétiques fluctuants ont dû se mettre en place. La fin de l'activité de la géodynamo se profilait donc, mais il y a environ 650/600 millions d'années la graine aurait commencé à se former. Ce faisant, elle aurait expulsé des éléments plus légers que le fer et le nickel, en particulier l'oxygène et le silicium, ce qui aurait relancé la convection selon un mode solutal ou encore compositionnel (la force d'Archimède intervient dans les deux cas et on parle de convection thermo-compositionnelle quand les deux mécanismes opèrent. Il y a débat sur leur part respective dans le noyau). À ce moment-là, revigorée, la géodynamo aurait retrouvé un champ magnétique nettement plus stable, intense et surtout dipolaire et pas multipolaire.

Les simulations de Driscoll expliquent ainsi l'existence d'une phase où le champ magnétique est bien faible et instable sur une longue durée il y a encore un peu plus de 500 millions d'années. En retour, les données paléomagnétiques du Québec accréditent l'idée que la Terre avait peut-être bien plusieurs pôles nord il y a un milliard d'années.

Deux phases de l'histoire de la géodynamo terrestre, à gauche, le noyau est encore complètement liquide entouré du manteau de roche verte en péridotite. La géodynamo est faible et instable et il y a quatre pôles magnétiques. À droite, le champ est devenu dipolaire, comme de nos jours, mais la graine solide s'est formée au centre. © Roberto Molar Candanosa and Peter Driscoll/Nature Geoscience 2019
  • Le champ magnétique de la Terre est généré depuis des milliards d'années par des courants de convection turbulents dans le noyau liquide de notre Planète, en rapport avec sa rotation.
  • L'alimentation en énergie de cette géodynamo est affectée par le refroidissement de ce noyau mais on pense que le début de sa cristallisation a contribué à son maintien et même à son rebond alors que le champ magnétique déclinait. Il y a débat quant à la date du début de cette cristallisation.
  • Des simulations numériques suggéraient que ce début s'était accompagné du passage d'un champ multipolaire à un champ dipolaire similaire à celui connu aujourd'hui il y a environ 600 millions d'années.
  • Des données paléomagnétiques retrouvées dans des roches plutoniques datant de cette époque au Québec apportent du crédit à cette théorie.
Pour en savoir plus

La cristallisation du noyau de la Terre aurait relancé sa géodynamo il y a 600 millions d'années

Article de Laurent Sacco publié le 29/06/2016

Lorsque les inversions magnétiques ont été découvertes au tout début du XXe siècle, les géophysiciens, et encore moins les géologues, ne pouvaient se douter qu'elles allaient révolutionner les sciences de la Terre. Une nouvelle discipline allait naître, celle du paléomagnétisme, laquelle a permis l'essor de la théorie de la tectonique des plaques au cours des années 1960.

Bien avant ce changement de paradigme formidable dans les géosciences, les chercheurs avaient déjà essayé de rendre compte de la génération du champ magnétique de notre planète. Ils furent ainsi conduits à la théorie de la géodynamo autoexcitatrice.

D'abord purement sous forme d'équations analytiques, cette théorie a ensuite été explorée sur ordinateur puis, finalement, en laboratoire, avec l'expérience VKS. Cette dernière a confirmé que les inversions provenaient bien de courants de fer et de nickel fondus et turbulents situés dans la partie liquide du noyau de la Terre. Les scientifiques savent que ce noyau s'est mis en place quelques dizaines de millions d'années après la formation de notre planète mais ils ont plus de mal à dater la naissance de sa partie centrale solide, la graine de la Terre, découverte par la Danoise Inge Lehmann.

L'évolution de la géodynamo simulée en 3D sur ordinateur

Cherchant à en savoir plus, un géophysicien de la Carnegie Institution (États-Unis), Peter Driscoll, a conduit de nouvelles simulations 3D de la géodynamo. Comme il l'explique dans un article publié dans Geophysical Research Letters, ces simulations ont porté sur les deux derniers milliards d'années de l'histoire de la Terre. Bien que les archives paléomagnétiques soient plus difficiles à lire et à interpréter quand on remonte dans le temps, les roches ayant gardé l'enregistrement du champ magnétique terrestre laissent penser que celui-ci n'a pas beaucoup varié en intensité en moyenne depuis presque quatre milliards d'année. On sait tout de même qu'il s'affaiblit temporairement à chaque changement de polarité. Il semblait aussi qu'il avait toujours été majoritairement dipolaire, c'est-à-dire comme celui d'un aimant avec deux pôles magnétiques.

Toutefois, en théorie, un champ magnétique peut avoir des composantes multipolaires, comme s'il était la somme de celui de plusieurs aimants orientés différemment les uns par rapport aux autres - on parle de composantes quadrupolaires (avec quatre pôles), octopolaires (avec huit pôles), etc.

Or, curieusement, les mémoires magnétiques semblaient particulièrement brouillées pendant une période s'étendant entre il y a un milliard d'années et 650 millions d'années, rendant problématique la reconstitution du ballet des continents à cette époque. On sait en effet que, selon la latitude, l'orientation du champ magnétique par rapport à l'horizontale n'est pas la même, Ainsi, en supposant les pôles magnétiques relativement fixes, il est possible de déduire des roches magnétisées les latitudes passées où elles se sont mises en place mais aussi, par exemple, l'orientation d'un continent à cette époque.

On voit sur cette image une coupe de la météorite Gibeon, une sidérite octaédrite classée IV A et 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. Elle est surtout très précieuse pour les géologues car elle donne des indices sur l'aspect du noyau de la Terre, en fer et en nickel. Ces météorites pourraient être des vestiges des noyaux de petites planètes. © L. Carion, carionmineraux.com

La cristallisation du noyau aurait commencé il y a 650 millions d'années

D'après les travaux de Peter Driscoll, sur ordinateur, l'histoire thermique de la géodynamo conduit bel et bien le champ magnétique de la Terre à un changement spectaculaire survenu il y a un milliard d'années. Avant, il était comparable à celui d'aujourd'hui mais, pendant les 350 millions d'années qui suivirent, il aurait été plus faible et, surtout, il n'était pas dipolaire.

À l'époque, une boussole aurait donc indiqué, selon les lieux, plus de deux pôles magnétiques différents. Qui plus est, l'intensité et le nombre de pôles auraient également été fluctuants pendant cette période du Précambrien. Puis, il y a environ 650 millions d'années, tout serait rentré dans l'ordre avec l'installation d'un champ magnétique similaire à celui d'aujourd'hui (modulo bien sûr les inversions magnétiques).

Selon Peter Driscoll, les simulations laissent penser que ces évènements ont quelque chose à voir avec le début de solidification du noyau de la Terre, c'est-à-dire la naissance puis la croissance de la graine. Ses calculs indiquent que ce phénomène a débuté il y a environ 650 millions d'années. Or, c'est précisément entre il y a 700 et 600 millions d'années que les archives magnétiques contiennent les enregistrements les plus atypiques.

Il semble donc que l'on soit en train d'ouvrir une nouvelle fenêtre pour mieux comprendre aussi bien l'histoire de la tectonique des plaques que celle de la biosphère. En effet, le champ magnétique de la Terre est un bouclier contre les rayons cosmiques, lesquels peuvent affecter le climat mais aussi le génome de formes vivantes.

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