Le noyau terrestre est-il déséquilibré ? Quelque chose d’étrange se passe à l’intérieur de notre planète

Une coupe du sous-sol montre que le noyau interne solide et solide (rouge) se développe lentement en gelant le noyau externe de fer liquide (orange). Les ondes sismiques voyagent plus rapidement à travers le noyau interne de la Terre entre les pôles nord et sud (flèches bleues) qu’à travers l’équateur (flèche verte). Les chercheurs concluent que cette différence de vitesse des ondes sismiques avec la direction (anisotropie) résulte d’un alignement préféré des cristaux en développement – des alliages fer-nickel hexagonaux emballés, qui sont eux-mêmes anisotropes – parallèlement à l’axe de rotation de la Terre. Crédit : Dessin de Daniel Frost

Un modèle de la façon dont le noyau interne de la Terre s’est solidifié en fer solide suggère qu’il pourrait n’avoir que 500 millions d’années.

Pour des raisons inconnues, le noyau interne de fer solide de la Terre se développe plus rapidement que l’autre côté, et ce depuis qu’il a commencé à se solidifier à partir de fer en fusion il y a plus d’un demi-milliard d’années, selon une nouvelle étude réalisée par des sismologues sismiques. Université de Californie, Berkeley.

La croissance plus rapide sous la mer de Banda en Indonésie n’a pas laissé le noyau déséquilibré. La gravité distribue uniformément la nouvelle croissance – des cristaux de fer qui se forment lorsque le fer en fusion se refroidit – pour maintenir un noyau interne sphérique croissant en rayon à une vitesse de 1 millimètre par an.

Mais la croissance accrue d’un côté suggère que quelque chose dans le noyau externe ou le manteau de la Terre sous l’Indonésie élimine la chaleur du noyau interne à un rythme plus rapide que de l’autre côté, sous le Brésil. Un refroidissement plus rapide d’un côté accélérerait la cristallisation du fer et la croissance du noyau interne de ce côté.

Cela a des implications pour le champ magnétique de la Terre et son histoire, car la convection dans le noyau externe entraînée par la libération de chaleur du noyau interne est ce qui entraîne aujourd’hui la dynamo qui génère le champ magnétique qui nous protège des particules dangereuses du soleil.

Un nouveau modèle pour les sismologues de l’Université de Californie à Berkeley suggère que le noyau interne de la Terre croît plus rapidement du côté est (à gauche) que du côté ouest. La gravité compense la croissance asymétrique en poussant les cristaux de fer vers les pôles nord et sud (flèches). Cela tend à aligner le grand axe des cristaux de fer le long de l’axe de rotation de la planète (ligne pointillée), ce qui explique les différents temps de parcours des ondes sismiques à travers le noyau interne. Crédit : Lasplace dessin nautique

« Nous fournissons des limites assez lâches sur l’âge du noyau interne – entre un demi-milliard et 1,5 milliard d’années – qui pourraient être utiles dans la discussion sur la façon dont le champ magnétique a été créé avant que le noyau interne solide n’existe », a-t-il déclaré. Barbara Romanovich, professeure à l’UC Berkeley Graduate School au Département des sciences de la Terre et des planètes et directrice émérite du Berkeley Seismological Laboratory (BSL). « Nous savons que le champ magnétique existait déjà il y a environ 3 milliards d’années, donc d’autres processus ont dû entraîner la convection dans le noyau externe à cette époque. »

Le jeune âge du noyau interne, au début de l’histoire de la Terre, peut signifier que la chaleur qui fait bouillir le noyau liquide provient d’éléments légers qui se séparent du fer, et non de la cristallisation du fer que nous voyons aujourd’hui.

« Le débat sur l’âge du noyau interne dure depuis longtemps », a déclaré Daniel Frost, scientifique adjoint du projet à BSL. « La complexité est la suivante : si le noyau interne n’a pu exister que depuis 1,5 milliard d’années, d’après ce que nous savons sur la façon dont il perd de la chaleur et à quel point il devient chaud, d’où vient le premier champ magnétique ? C’est de là que vient l’idée d’éléments légers fondus qui gèlent ensuite sont venus ».

fer de congélation

La croissance asymétrique du noyau interne explique un mystère vieux de trois décennies – que le fer cristallisé dans le noyau semble préférentiellement aligné le long de l’axe de rotation de la Terre, plus à l’ouest qu’à l’est, alors que l’on pourrait s’attendre à ce que des cristaux soient aléatoires.

La preuve de cet alignement provient des mesures du temps de transmission des ondes sismiques des tremblements de terre à travers le noyau interne. Les ondes sismiques se déplacent plus rapidement dans la direction de l’axe de rotation nord-sud que le long de l’équateur, une asymétrie que les géologues attribuent aux cristaux de fer asymétriques qui ont de longs axes préférentiellement alignés le long de l’axe de la Terre.

Si le noyau est en fer cristallin solide, comment les cristaux de fer sont-ils orientés préférentiellement dans une direction ?

Pour tenter d’expliquer les observations, Frost et ses collègues Maren Lasplace de l’Université de Nantes en France et Brian Chandler et Romanovich de l’Université de Californie à Berkeley, ont créé un modèle informatique de croissance cristalline dans le noyau interne qui intègre des modèles de croissance géodynamiques et la minéralophysique du fer. A haute pression et haute température.

« Le modèle le plus simple semblait un peu inhabituel – que le noyau interne soit asymétrique », a déclaré Frost. Le côté ouest est différent du côté est jusqu’au centre, et pas seulement au sommet du noyau interne, comme certains l’ont suggéré. La seule façon de l’expliquer est qu’un côté croît plus vite que l’autre.

Le modèle décrit comment la croissance asymétrique – environ 60 % plus élevée à l’est qu’à l’ouest – peut orienter préférentiellement les cristaux de fer le long de l’axe de rotation, avec un alignement plus important à l’ouest qu’à l’est, et explique la différence de vitesse des ondes sismiques à travers le noyau interne.

« Ce que nous proposons dans cet article est un modèle de non-équilibre de convection solide dans le noyau interne qui réconcilie les observations sismiques avec des conditions aux limites géodynamiques plausibles », a déclaré Romanovich.

Frost, Romanovich et leurs collègues rendront compte de leurs découvertes dans le numéro de cette semaine du journal sciences naturelles de la terre.

L’intérieur de la Terre par les ondes sismiques

Le sous-sol est fait de couches comme un oignon. Le noyau interne solide en fer-nickel, dont le rayon actuel est de 1 200 kilomètres (745 miles), soit environ les trois quarts de la taille de la Lune, est entouré d’un noyau externe liquide de fer-nickel fondu d’environ 2 400 kilomètres (1 500 miles) d’épaisseur. Le noyau externe est entouré d’une couche de roche chaude de 2 900 kilomètres (1 800 milles) d’épaisseur et recouverte d’une fine croûte rocheuse froide à la surface.

La convection se produit à la fois dans le noyau externe, qui bout lentement lorsque la chaleur du fer cristallisé s’échappe du noyau interne, et dans le manteau, où des roches plus chaudes se déplacent vers le haut pour transporter cette chaleur du centre de la planète à la surface. Le fort mouvement d’ébullition du noyau externe de fer liquide produit le champ magnétique terrestre.

Selon le modèle informatique de Frost, qu’il a conçu avec l’aide de Lasbleis, à mesure que les cristaux de fer se développent, la gravité redistribue la prolifération est-ouest dans le noyau interne. Ce mouvement de cristaux au sein du solide assez mou du noyau interne – qui est proche du point de fusion du fer à ces hautes pressions – aligne le réseau cristallin le long de l’axe de rotation de la Terre à un degré plus élevé à l’ouest qu’à l’est.

Le modèle prédit correctement les nouvelles observations des chercheurs sur les temps de propagation des ondes sismiques à travers le noyau interne : l’anisotropie, ou la différence des temps de parcours parallèles et perpendiculaires à l’axe de rotation, augmente avec la profondeur et est compensée par la plus forte variance vers l’ouest de la Terre. L’axe de rotation est d’environ 400 kilomètres (250 miles).

Le modèle de croissance du noyau interne fournit également des limites pour le rapport nickel-fer au centre de la Terre, a déclaré Frost. Son modèle ne reproduit pas avec précision les observations sismiques à moins que le nickel ne représente entre 4% et 8% du noyau interne – à peu près le même pourcentage trouvé dans les météorites métalliques qui étaient autrefois supposées être les noyaux des planètes naines de notre système solaire. Le modèle indique également aux géologues la viscosité du noyau interne ou du fluide.

« Nous suggérons que la viscosité du noyau interne est relativement importante, ce qui est un paramètre d’entrée intéressant pour les géodynamiciens qui étudient les processus dynamo dans le noyau externe », a déclaré Romanovich.

Référence : « The Dynamic History of the Inner Core Constrained by Seismic Variation » par Daniel A. Frost, Marin Lasplace, Brian Chandler et Barbara Romanovich, 3 juin 2021, disponible ici. sciences naturelles de la terre.
DOI : 10.1038 / s41561-021-00761-w

Frost et Romanowicz ont été soutenus par des subventions de la National Science Foundation (EAR-1135452, EAR-1829283).