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Comment a été généré le champ magnétique des premiers âges de la Terre ?

Publication du LGL-TPE
Publié le : 28 février 2017
Enclume-Diamant.jpg La cellule à enclumes de diamant est un instrument fondamental pour l'étude expérimentale des matériaux du manteau et du noyau terrestre. Le principe est très simple : il s'agit de comprimer l'échantillon à étudier en l‘écrasant entre les corps les plus durs qui existent, à savoir des diamants. (Cf. site DEGESCO Planet-Terre)

S’il est bien établi que le champ magnétique terrestre est maintenu par la convection de la partie liquide du noyau terrestre, son apparition dès les premiers instants de la Terre reste une question ouverte. De nouvelles expériences à hautes pressions et températures, ainsi que des modèles théoriques, ont permis à une équipe de chercheurs du Earth life science institute (ELSI, Tokyo), de l’Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC/Ecce Terra, CNRS / UPMC / IRD / MNHN) et du Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes, environnement (LGL-TPE/OSUL, CNRS / ENS Lyon / Université Claude Bernard) de mieux comprendre la chimie du noyau terrestre actuel. Ces résultats leur ont permis de proposer un mécanisme permettant d’expliquer la génération du champ magnétique terrestre, il y a plus de 4 milliards d’années.

La Terre est divisée en plusieurs enveloppes concentriques qui comprennent le manteau riche en silicates et le noyau riche en fer. Le noyau est solide dans sa partie centrale (la graine), mais liquide dans sa partie externe et la convection qui règne au sein de ce liquide est responsable de l’existence du champ magnétique terrestre. Des questions demeurent cependant : pourquoi ce champ magnétique est-il apparu aussi tôt dans l’histoire de la Terre ? Les modèles actuels peinent en effet à expliquer la signature du champ magnétique présente dans des roches datant de plus de 4 milliards d’années. Il n’existe pas d’échantillons du contenu du noyau terrestre et il n’est pas possible de le sonder directement. Cependant, grâce aux ondes sismiques qui le traversent, il a été possible de déterminer qu’il n’était pas exclusivement composé d’un alliage de fer et de nickel, mais qu’il contenait également, pour une part d’environ 10 % en poids, des éléments plus légers. La nature exacte de ces éléments est encore largement débattue, mais les plus récents modèles proposés mettent tous en avant l’oxygène et le silicium, hérités des processus de formation de la Terre.

Afin de mieux comprendre ce système ternaire Fe-Si-O, une équipe internationale composée de chercheurs du ELSI, de l’IMPMC et du LGL-TPE ont déterminé le diagramme de phase de ce système sous les conditions de pression et de température du noyau terrestre (pression supérieure à 140 GPa et température supérieure à 4000 K). Pour cela, les chercheurs ont comprimés et chauffés des échantillons à l’aide d’une cellule à enclumes de diamants et d’un laser, puis les ont découpés et analysés chimiquement à l’échelle micrométrique.

Les chercheurs ont ainsi pu mettre en évidence que, dans ces conditions de pression et de température, seule une très petite fraction du silicium et de l’oxygène pouvait se solubiliser dans le métal, tandis qu’une large fraction de dioxyde de silicium (SiO2) non soluble se formait. Ce résultat expérimental, couplé à des modèles théoriques, est d’une grande importance car il a permis aux chercheurs de proposer l’explication suivante à la génération précoce du champ magnétique terrestre.

En refroidissant, le noyau terrestre aurait perdu le silicium et l’oxygène initialement dissous dans le métal, lesquels auraient alors formé des grains de SiO2. Si cette cristallisation avait eu lieu au sommet du noyau, elle aurait laissé derrière elle un alliage liquide plus dense que le noyau sous-jacent ce qui aurait engendré des mouvements de convection suffisants pour produire un champ magnétique, et ce dès les premiers instants de la Terre, avant la cristallisation de la graine.

Cette étude permet à la fois de mieux contraindre la composition chimique du noyau terrestre actuel et d’ouvrir une fenêtre de compréhension sur sa dynamique passée.

Références : Crystallization of silicon dioxide and compositional evolution of the Earth’s core, Kei Hirose, Guillaume Morard, Ryosuke Sinmyo, Koichio Umemoto, John Hernlund, George Helffrich & Stéphane Labrosse. Nature, 22 février 2017, doi:10.1038/nature21367

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Mise à jour le 1 mars 2017
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