Une vue d'artiste de l'océan de magma de la Terre. © Nasa

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Terre : sa rotation rapide aurait influencé le refroidissement de son océan de magma

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Un groupe de géophysiciens étudie depuis quelques années l'effet de la rotation de la Terre, autrefois rapide, sur le refroidissement de son océan de magma il y a presque 4,5 milliards d'années. Cet effet pourrait avoir influencé la structure actuelle de la Terre et son histoire passée. 

De Descartes à Buffon, c'est à dire pendant presque deux siècles, les spéculations plus ou moins basées sur les débuts de la science classique et sur les observations vont se multiplier concernant l'intérieur de la Terre et son origine. Ce n'est vraiment qu'au cours du XIXe siècle, lorsque la géologie naît en tant que science, que les modèles de l'intérieur de la Terre vont également devenir scientifiques, notamment, grâce aux travaux de Fourier sur la chaleur et aux raisonnements de Kelvin.

Ce n'est qu'au début du XXe siècle, avec l'essor de la sismologie, que se constitue l'image moderne de l'intérieur de la Terre grâce à Richard Dixon Oldham en tout premier lieu, Harold Jeffreys et Inge Lehmann en second lieu -- en réalité, il faudrait citer bien d'autres noms en partant d’Édouard Albert Roche à Beno Gutenberg. Elle ne cesse de s'affiner depuis, surtout après la naissance de la théorie de la tectonique des plaques et la révolution de la planétologie comparée à la fin des années 1960. Cela n'est guère étonnant, les géophysiciens voulant comprendre les mécanismes de la convection dans le manteau faisant dériver les continents, l'origine des points chauds et du champ magnétique de la Terre, le tout en connexion avec les scénarios cosmogoniques de la naissance du Système solaire.

Sans effet de la rotation de la Terre, les cristaux formés par le refroidissement de son océan de magma sédimentent partout de façon homogène. © Christian Maas, et al.

L'investigation de l'intérieur de la Terre continue en ce début de XXIe siècle, toujours grâce à la sismologie, l'étude du champ magnétique et du champ de gravité de la Terre, et ce, en complément des simulations sur ordinateur et des expériences sur le comportement des matériaux à hautes pressions et hautes températures. Les études théoriques se poursuivent également car il reste des énigmes et des paradoxes du point de vue de la chimie du manteau et sur l'existence de certaines régions ; ces dernières ayant des caractéristiques anormales découvertes grâce aux progrès de la sismologie et dont on se demande si elles sont des vestiges du passé le plus ancien de la Terre -- par exemple, lorsqu'elle était recouverte d'un océan de magma -- ou le plus récent, avec cette fois-ci, l'idée qu'il s'agit de restes d'anciennes plaques tectoniques subductées.

Une jeune Terre qui tournait en 2 à 5 heures sur elle-même

Pour y voir plus clair, les géophysiciens Christian Maas et Ulrich Hansen étudient depuis quelques années les contributions, jusqu'ici non prises en compte, de la rotation de la Terre sur le refroidissement de son océan de magma, océan qui a dû exister juste après la collision entre la proto-Terre et Théia. Des cristaux ont dû se former et se sédimenter dans cet océan de plusieurs milliers de kilomètre de profondeur en cours de refroidissement.

Mais, selon leurs travaux dont est publié un nouveau bilan cette année dans Earth and Planetary Science Letters, l'effet de la force centrifuge due à la rotation bien plus rapide de la jeune Terre, qui a été freinée par la suite au cours des milliards d'années par les forces de marée de la Lune, pourrait avoir modifié la façon dont ces cristaux se sont sédimentés, créant des régions à la minéralogie particulière dans le manteau et influençant donc ultérieurement sa géodynamique et, en particulier, celle des plaques tectoniques.

Il existe un régime de vitesses de rotation où la sédimentation des cristaux n'est plus homogène et uniforme dans l'océan de magma de la Terre primitive. © Christian Maas, et al.

Ils ont mené des simulations simplifiées avec un type de cristaux silicatés donnant des résultats dépendant de la vitesse de rotation de la Terre il y a environ 4,5 milliards d'années, juste après la collision avec Théia dont on pense qu'elle a été à l'origine de la Lune. Il n'y a pas de certitude quant à la valeur exacte de cette vitesse de rotation mais on estime raisonnablement qu'elle devait se produire en 2 à 5 heures.

Toujours est-il que les chercheurs ont découvert qu'entre une période de rotation comprise entre 8 et 12 heures, les cristaux restent en suspension et sont répartis de manière uniforme dans l'océan de magma. Par contre, à mesure que la vitesse de rotation considérée augmente, la distribution des cristaux change. Ils se déposent rapidement au fond aux pôles Nord et Sud mais se déplacent vers la moitié inférieure de l'océan de magma près de l'équateur.

Aux vitesses de rotation les plus rapides -- une rotation complète en 3 à 5 heures environ --,  les cristaux s'accumulent au fond de l'océan de magma, quelle que soit la latitude. Cependant, la convection dans le magma en ébullition près des régions polaires provoquait à plusieurs reprises la formation de bulles, ce qui rendait la couche cristallisée peu stable.

  • Il y a environ 4,5 milliards d'années, l'intense bombardement météoritique et surtout la collision supposée entre la Terre et Théia, une planète de la taille de la Lune, ont dû produire un océan global de magma de plusieurs milliers de kilomètres de profondeur.
  • Des cristaux ont dû se former, puis se sédimenter dans cet océan en cours de refroidissement comme ils le font dans une chambre magmatique.
  • La répartition de ces cristaux a peut-être été fortement influencée par la rotation de la Terre qui était nettement plus rapide, avec une période de 2 à 5 heures.
  • C'est peut-être l'origine de certaines anomalies détectées dans le manteau de la Terre
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