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

Publié par Adrien le 28/02/2017 à 00:00
Source: CNRS-INSU
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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 (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de minéralogie (La minéralogie est la science qui étudie les minéraux.), de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) et de cosmochimie (IMPMC/Ecce Terra, CNRS / UPMC / IRD / MNHN) et du Laboratoire de géologie (La géologie, du grec ancien γη- (gê-, « terre ») et...) de Lyon: Terre, planètes, environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) (LGL-TPE/OSUL, CNRS / ENS Lyon / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) 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 (La Terre possède un champ magnétique produit par les déplacements de son noyau externe –...), 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 (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) terrestre. Des questions demeurent cependant: pourquoi ce champ magnétique est-il apparu aussi tôt dans l'histoire de la Terre (L'histoire de la Terre couvre approximativement 4,6 milliards d'années...) ? 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.


Cellule à enclume de diamants. © IMPMC, Cécile Duflot
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 (Un diagramme de phase est une représentation graphique utilisée en thermodynamique (voir...) de ce système sous les conditions de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) et de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) 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 (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) passée.
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