Les cristaux noirs sont constitués d'hématite (Spécularite). © Didier Descouens, Wikipédia, CC by-sa 4.0

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Surprise ! Le manteau de la Terre pourrait être magnétisé

ActualitéClassé sous :manteau terrestre , hématite , geodynamo

Des expériences sur la physique des hautes pressions ont démontré qu'un minéral à base de fer dans certaines roches pouvait rester aimanté à des températures où ce n'est plus possible sous la pression de l'atmosphère. Contrairement à ce que l'on pensait, une partie du manteau pourrait être magnétisée, ce qui change notre compréhension au moins des archives magnétiques de la Terre mais aussi de l'évolution et des caractéristiques de son champ magnétique.

On peut dire que l'étude scientifique du magnétisme des roches et de la Terre a commencé avec la publication du « De Magnete » de William Gilbert, en 1600. Ce médecin et physicien britannique avait alors émis l'hypothèse que la Terre était un gigantesque aimant analogue à ceux connus depuis les Grecs, avec les roches se trouvant dans la région de la ville de Magnésie. Cette hypothèse était très raisonnable mais il fallut l'abandonner quand on a découvert, tout à la fois, que la température augmentait selon un gradient mesurable en s'enfonçant dans les mines, et la disparition de l'aimantation au-dessus d'une température de plusieurs centaines de degrés pour les aimants.

La solution de l'énigme fut trouvée durant la première moitié du XXe siècle, essentiellement avec la découverte, puis le développement de la théorie de la dynamo auto-excitatrice décrivant ce qui se passe dans la partie liquide du noyau de la Terre, un alliage de fer-nickel liquide, convectif, turbulent, et dans un référentiel en rotation dont la physique s'explore aujourd'hui en laboratoire avec notamment l'expérience VKS.

Au cours de la seconde moitié du XXe siècle, l'étude fine du magnétisme de la Planète -- et notamment de son paléomagnétisme enregistré dans différentes types de roches, mais essentiellement des roches ignées -- a eu une grande importance puisque qu'elle a mené à la théorie de la tectonique des plaques. Le paléomagnétisme a été utilisé pour retracer ces mouvements anciens mais aussi pour dresser une chronologie des fameuses inversions magnétiques des pôles et de leurs migrations.

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

Toutefois, des travaux récents publiés dans le journal Nature et menés par une équipe internationale réunissant des physiciens allemands, français, danois et états-uniens, spécialistes en géosciences, viennent de redonner un peu de crédibilité à l'hypothèse de Gilbert sans rien invalider de l'explication donnée avec la géodynamo.

Des roches aimantées riches en hématite dans le manteau ?

Déjà en surface, comme dans le cas d'autres planètes rocheuses, on sait que la croûte froide contient des roches aimantées qui contribuent par leurs magnétismes rémanents, acquis notamment lorsque les laves océaniques se refroidissent, au champ magnétique total de la Terre. Mais, selon les chercheurs, il pourrait exister des régions du manteau à des températures relativement élevées où les conditions de pressions permettraient à une roche, contenant un oxyde de fer bien particulier, de rester aimantée, contrairement à ce qui se passerait en surface à la même température.

Le minéral magnétique de cette roche est bien connu des géologues, c'est l'hématite, l'un des polymorphes de l'oxyde de fer (III) de formule Fe2O3, avec des traces de titane, d'aluminium, de manganèse et d'eau. Les chercheurs ont étudié son comportement dans le cadre des expériences de physique des hautes pressions dans lesquelles des échantillons micrométriques d'hématite dans une cellule dite enclume de diamant sont portés à des pressions pouvant atteindre 90 gigapascals et sont chauffés à l'aide de lasers à des températures jusqu'à 1.000 °C. L'état magnétique de ces échantillons pouvait être mesuré grâce à la méthode de spectroscopie Mössbauer au moyen du rayonnement disponible au synchrotron de l'ESRF, à Grenoble.

Il s'est avéré que l'hématite pouvait restée magnétique jusqu'à une température d'environ 925 °C et à des pressions qui peuvent être replacées dans un contexte géologique. En effet, les géologues pensent que de l'hématite existe dans des plaques océaniques en cours de subduction dans le manteau de la Terre, notamment sous la partie occidentale de l'océan Pacifique, et est restée en conséquence aimantée à une profondeur d'environ 440 à 660 km correspondant à la fameuse zone de transition minéralogique du manteau -- le manteau terrestre, s'étendant de 35 à 2.900 kilomètres sous la surface de la Terre.

Cela peut changer la donne en ce qui concerne l'évolution actuelle du champ magnétique terrestre mais aussi le décryptage de son passé car on peut maintenant penser que les champs magnétiques mesurés sont la somme de celui produit par le noyau de la Terre avec ceux de régions se comportant comme des aimants au sens de Gilbert dans le manteau.

  • Il y a plusieurs siècles, on pensait que le champ magnétique de la Terre était celui d'un gros aimant mais la découverte des hautes températures à l'intérieur des profondeurs de notre Planète a mis fin à cette théorie car, au-delà de quelques centaines de degrés, les matériaux aimantés ne le sont plus.
  • C'est la théorie de la géodynamo rendue possible par la découverte de la partie liquide du noyau de la Terre qui a rendu compte de son champ magnétique et de ses inversions.
  • Des expériences récentes en physique des hautes pressions montrent malgré tout que des matériaux magnétiques à base d'un minéral d'oxyde de fer, l'hématite, peuvent tout de même rester magnétiques à plusieurs centaines de kilomètres de profondeur.
  • Cela change notre interprétation des archives magnétiques de la Terre et de la dynamique de son champ.
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