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. Elle est surtout très précieuse pour les géologues car elle donne des indices sur l'aspect du noyau en fer et en nickel de la Terre. Ces météorites pourraient être des vestiges des noyaux de petites planètes. © L. Carion, carionmineraux.com
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L'énigme de l'âge du noyau solide de la Terre enfin résolue ?

ActualitéClassé sous :structure de la Terre , noyau , graine

Le champ magnétique de la Terre permet à notre Planète de garder son atmosphère et protège sa biosphère des rayons cosmiques. Ce champ est généré par une géodynamo qui a besoin d'énergie pour subsister. Un apport d'énergie important vient de la cristallisation de la graine de la Terre, la partie solide de son noyau ferreux. Une nouvelle estimation confirme que cette cristallisation aurait débuté il y a à peine plus d'un milliard d'années, une date qui restait énigmatique.

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[EN VIDÉO] Le noyau de la Terre reconstitué en laboratoire  En faisant tourner du sodium liquide autour d'une sphère de 23 tonnes, les géophysiciens de l'université du Maryland simulent les conditions qui règnent autour du noyau de notre Planète. But du jeu : comprendre pourquoi la Terre est la seule planète tellurique du Système solaire à posséder un champ magnétique important qui nous protège des colères du Soleil. Voici cette étonnante expérience en vidéo. 

Le champ magnétique de la Terre protège notre atmosphère de l'action de l'érosion que peuvent exercer sur elle le vent solaire et l'activité magnétique et turbulente de notre étoile. Mars n'a pas eu cette chance et c'est pourquoi elle a largement perdu son atmosphère et son eau. De la planétologie comparée dans le Système solaire, on est lentement mais sûrement sur le chemin menant un jour prochain à une planétologie comparée avec les exoplanètes. L'enjeu principal concerne, bien sûr, l'exobiologie car l’habitabilité des exoplanètes, surtout autour des naines rouges jeunes aux colères magnétiques légendaires, dépend de la pérennité de leurs atmosphères grâce à leur propre bouclier magnétique.

La science du géomagnétisme ne nous sert donc pas seulement à comprendre notre Planète bleue et ce qui l'a rendue habitable, elle peut nous permettre donc tout également de poser des contraintes sur l'habitabilité ailleurs dans la Voie lactée. Nous avons donc de nombreux intérêts à mieux comprendre l'origine et le fonctionnement de la géodynamo à l'origine de la magnétosphère terrestre et on ne peut donc que lire avec intérêt l'article publié dans Physical Review Letters par une équipe de géophysiciens menée par Jung-Fu Lin, professeur à l'université du Texas à la Jackson School of Geosciences d'Austin.

Rappelons que l’on dispose depuis presque un siècle d’une théorie dont le germe avait été planté en 1919 par Joseph Larmor, puis développée dans les décennies suivantes par Walter Elsasser (en photo ci-dessus) en particulier. Cette théorie fait intervenir le fait qu’une partie du noyau de la Terre est un alliage liquide en fusion de fer et de nickel animé de mouvements turbulents et dans le référentiel en rotation qu’est notre Planète. Des courants électriques et des champs magnétiques même faibles se trouvent alors automatiquement amplifiés, se produisant l’un l’autre. © Ginna Drahan, Wikimedia Commons, CC0, Domaine public

Un noyau partiellement liquide avec une graine solide

On sait depuis le tout début du XXe siècle et les travaux du géologue et géophysicien britannique, Richard Dixon Oldham, que le noyau de la Terre existe. Les sismologues avaient en effet mis en évidence que, dans les roches, les ondes de compression issues d'un séisme arrivent les premières dans leurs sismomètres et sont appelées ondes P. Plus lentes, les ondes transversales, dites S, arrivent ensuite. En analysant les données sismologiques collectées sur la Planète, Oldham avait constaté que les ondes S ne sont jamais enregistrées aux antipodes d'un séisme. Comme on peut utiliser les modèles de l'optique géométrique pour décrire la propagation de ces ondes à l'intérieur de la Terre, un séisme peut se voir comme une lampe torche éclairant les profondeurs de notre Planète.

Tout se passe donc comme si les rayons des ondes S ne traversaient pas le centre de la Terre. L'explication de cet étrange phénomène proposée en 1906 par Oldham est simple. Les ondes S ne pouvant traverser un milieu liquide, il fallait en conclure qu'il existait un noyau fluide à l'intérieur de la Terre.

Mais, en 1936, notamment en étudiant les données d'un séisme survenu en Nouvelle-Zélande en 1929, la géophysicienne danoise Inge Lehmann prend acte d'un autre curieux phénomène affectant les rayons associés aux ondes P qui n'arrivent pas, comme prévu, de part et d'autre des antipodes des foyers des séismes. Sa solution du problème, soutenue par des calculs, est brillante. Elle montre qu'une région solide à l'intérieur du noyau réfracte les ondes P d'une façon qui rend bien compte des observations. Quelques années plus tard, tous les ténors de la sismologie de l'époque, en particulier Beno Gutenberg et l'immense Harold Jeffreys - connu comme le Pape de la géophysique de l'époque notamment pour ses traités sur la physique mathématique (toujours incontournable à lire), la théorie des probabilités et la géophysique -, sont convaincus de la justesse de l'idée de Lehmann.

Sa découverte de l'existence d'une partie solide allait plus tard être d'une grande importance pour comprendre l'origine de l'énergie alimentant la géodynamo générant le champ magnétique de la Terre et ses inversions comme le prouve à nouveau l'article aujourd'hui publié.

« Nous mesurons le champ magnétique produit par toutes les sources sur Terre avec un instrument, dont on pourrait presque dire que c'est une boussole... » Entretiens avec Gauthier Hulot, chercheur IPGP-CNRS, et des membres de son équipe. © IPGP

Le cœur de la Terre reconstitué avec une cellule à enclumes de diamant

Jung-Fu Lin et ses collègues viennent de confirmer que la graine de la Terre aurait commencé à se former par cristallisation il y a entre 1 et 1,3 milliard d'années, en accord avec la précédente estimation dont parlait Futura dans le précédent article ci-dessous. Ce faisant, la chaleur libérée - mais pas seulement - aurait contribué à maintenir le fonctionnement de la géodynamo. Deux mécanismes seraient donc à l'œuvre depuis, ce qui fait que l'on parle à leur sujet de convection thermo-compositionnelle. En effet, en débutant sa cristallisation, le noyau se 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 appelé solutal ou encore compositionnel, faisant intervenir, là aussi, la force d'Archimède.

Le travail des géophysiciens s'inscrivait dans une problématique qui dure depuis un certain temps. Pour la comprendre, il faut se souvenir que le noyau de la Terre, aussi chaud que la surface du Soleil, 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.

Une des clés pour trancher le débat consistait à mieux déterminer la conductivité thermique de l'alliage du noyau à des températures de l'ordre de 6.000 degrés et des pressions de l'ordre du million d'atmosphère. Il s'est avéré qu'elle était de 30 à 50 % inférieure aux dernières estimations qui conduisaient à une date de début de cristallisation, il y a environ 600 millions d'années.

« La minéralogie a plusieurs volets ici, et ce qui nous rassemble tous, ce sont des méthodes, les échelles d'observations... » Entretiens avec Guillaume Fiquet, chercheur CNRS-IPGP-IMPMC, et des membres de l'équipe. © IPGP

Pour aboutir à ce résultat, il a fallu mobiliser une fameuse technique de la physique des hautes pressions pour reconstituer en laboratoire les conditions régnant dans le noyau de la Terre. On utilise ce que l'on appelle des enclumes de diamant qui permettent de comprimer fortement un échantillon que l'on peut chauffer grâce à des faisceaux laser traversant les diamants (voir à ce sujet la vidéo ci-dessus).

Le nouvel âge du début de la cristallisation de la graine se trouve, comme on l'indiquait précédemment, en bon accord avec celui d'un pic d'intensité du champ magnétique terrestre tel qu'enregistré par la disposition des matériaux magnétiques dans les roches qui se sont formées à cette époque, et dont parlait Futura dans l'article ci-dessous. Il est tentant d'y voir une corrélation et pas l'effet du hasard.

Pour en savoir plus

La graine de la Terre serait née il y a 1 à 1,5 milliard d'années

Article de Laurent Sacco publié le 14/10/2015

Le champ magnétique de la Terre permet à notre planète de garder son atmosphère et protège sa biosphère des rayons cosmiques. Selon une récente découverte, son intensité aurait augmenté rapidement il y a un peu plus d'un milliard d'années. L'événement signalerait le début de la formation de la graine de la Terre, la partie solide du noyau ferreux.

Après sa formation, la Terre s'est différenciée très rapidement - avec un noyau, un manteau et une croûte - à partir d'un matériau très proche de celui trouvé aujourd'hui dans certaines météorites appelées chondrites à enstatite. Ainsi, il n'aurait fallu que quelques dizaines de millions d'années pour qu'apparaisse un noyau de fer et de nickel liquide, prenant en sandwich avec la croûte le manteau de notre planète.

Toutefois, les chercheurs ne savent pas très bien si la géodynamo qui produit le champ magnétique de la Terre a commencé à fonctionner juste après la naissance du noyau. Ils ont tout de même trouvé des traces de l'existence de ce champ conservées dans des minéraux appartenant à des roches âgées de 3,6 milliards d'années découvertes en Afrique du Sud. Il est même possible que le bouclier magnétique de la Terre soit en place depuis plus de 4 milliards d'années si l'on prend au sérieux quelques indications ténues de sa présence, enregistrées par les fameux zircons australiens de Jack Hills.

Mars, de son côté, possédait bien un tel bouclier très précocement : vers 4,4 milliards d'années probablement - les scientifiques le savent depuis l'analyse de la météorite martienne ALH84001. Il n'y a donc aucune raison apparente pour que ce ne soit pas aussi le cas sur Terre.

Les recherches effectuées sur le paléomagnétisme ont une importance toute particulière pour les autres géosciences. © Chaîne IPGP, YouTube

Un groupe de chercheurs de l'université de Liverpool, au Royaume-Uni, vient cependant d'annoncer dans une publication du journal Nature la découvert d'une brusque augmentation de l'intensité du champ magnétique de la Terre dans les archives paléomagnétiques datées d'il y a environ 1 à 1,5 milliard d'années. Selon les chercheurs, ce saut dans la valeur du champ magnétique de la magnétosphère s'expliquerait par l'amorce de la formation de la graine de la Terre, la partie solide du noyau découverte par la danois Inge Lehmann. Précédemment, les estimations sur l'âge de l'apparition de cette graine, élément essentiel dans l'histoire de la Terre, variaient entre 0,5 et 2 milliards d'années.

Une dynamo alimentée par la chaleur latente de cristallisation du fer

Pourquoi un tel saut dans l'intensité du champ magnétique ? Pour le comprendre il faut se rappeler que nous disposons de modèles de l'intérieur de la Terre ainsi que de simulations numériques de ce qui se passe à l'intérieur de notre globe. Ces modèles et simulations sont contraints par les observations des sismologues, les expériences de hautes pressions effectuées avec les cellules à enclumes de diamant et enfin la fameuse expérience VKS qui a permis de tester nos idées sur l'origine des inversions du champ magnétique de la Terre.

Il ne fait donc guère de doute que ce champ magnétique est engendré par des mouvements de convection turbulents dans la partie liquide du noyau, le tout en relation avec la rotation de notre planète. Mais, pour maintenir cette convection, il faut de l'énergie. On pense qu'elle provient en grande partie de la chaleur latente de cristallisation libérée dans le noyau par la formation de la graine. Si tel est bien le cas, on comprend bien pourquoi le début de ce phénomène a été concomitant avec des mouvements de convection plus vigoureux dans le noyau et donc avec la génération d'un champ magnétique plus intense.

La détermination de l'histoire de l'intensité du champ magnétique de la Terre peut sembler académique mais ce serait oublier son rôle important dans la protection des organismes vivants contre les rayons cosmiques et, surtout, dans le maintien d'une atmosphère. On a toutes les raisons de penser que Mars a perdu la sienne du fait de l'érosion atmosphérique produite par le vent solaire due à la perte de son bouclier magnétique.

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