L’énigme de l’âge du noyau solide de la Terre enfin résolue ?

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.

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.

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.

Météorite Gibeon

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. (Source : L. Carion, carionmineraux.com)

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.

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.

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. Il est tentant d’y voir une corrélation et pas l’effet du hasard.

Source : Futura-Sciences

Vous pouvez consulter, sur le site d’Archipel des Sciences, l’exposition « La machine Terre« .

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