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CHAPITRE 4

Les enveloppes rocheuses de la Terre

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A - Le Noyau Terrestre

Les météorites précoces formées dans la nébuleuse solaire (les chondrites CI) et la photosphère solaire actuelle nous enseignent qu’au moment de la formation de la Terre, le rapport molaire du Fer au Magnésium était de l’ordre de 0.84. Dans l’hypothèse généralement admise d’une nébuleuse chimiquement homogène au moment de la formation du soleil et des planètes, ce rapport doit être aussi celui de la Terre.

Partant des proportions massiques des éléments majeurs du manteau:

O=50%; Si=22% ; Mg=22% ; Fe=6% e : Mg=22%, Fe=6%

et des masses molaires des éléments :

mO=16, mSi=28, mMg=24.3, mFe=56

on constate que le rapport molaire du manteau Fe/Mg = (6/56) / (22/24.3) n’est que de 0.1 environ. A Magnésium constant, il manque donc une quantité importante de Fer dans le manteau que nous pouvons essayer d’estimer :

1 -   la masse molaire moyenne du manteau (0.5*16 + 0.22*28 + 0.22*24.3 + 0.06*56) est de =22.8.

2 -   le nombre de moles de Magnésium NMg dans le manteau s'écrit : NMg = Mg/mMg * Mmanteau (1)

Si l'on suppose que le rapport molaire Fe/Mg de la Terre totale est égal à celui des chondrites (0.84), on en déduit que la masse manquante de fer est :

on sait que

Or, puisque Mg est constant, on a

donc on réécrit la masse manquante de fer du manteau

et en remplaçant de (1) NMg par Mg/mMg * Mmanteau on a :

ou

La masse manquante de fer représenterait donc environ 40% de la masse du manteau. Or, le rapport des masses entre le noyau ferreux et manteau est de 0.48 et non 0.4. Mais le fer n’est pas le seul élément contenu dans le noyau ; à partir de la composition des sidérites et en raison des contraintes imposées par la géophysique on estime que le noyau est aussi constitué de nickel en faible %, et d'éléments légers (O, Si, ou S). D’après Allègre et al., 1995, la composition du noyau serait la suivante : Fe=79%, Ni=5%, Si=7%, S=2%, O=4%. Sa densité doit être comprise entre 10 et 12, et il est conducteur de l’électricité.

1 - Le noyau liquide

Sismiquement transparent pour les ondes S et ralentissant fortement les ondes P, le noyau terrestre est à l'état liquide (Chp. 3.B.4.d). La pression varie de 130 G.Pa à la surface du noyau à 400 G.Pa au cœur du globe (1 G.Pa = 10 000 atm.). L’estimation de la température dans le noyau est encore de nos jours un point largement débattu. On sait que le manteau est solide et constitué principalement de pérovskite. On a pu extrapoler vers les très hautes pressions qui règnent à l’interface manteau-noyau la courbe de fusion de la pérovskite, qui fixe ainsi la limite supérieure de la température au sommet du noyau à 5000K. La température à la limite entre le noyau et la graine, considérée comme le point de fusion du fer à une pression de 320 G.P, a pu être évaluée grâce à des expériences de fusion par ondes de choc à 6000K. Si l’on tient compte de la présence de 10% environ d’éléments légers, on obtient une température de l’ordre de 5000K. Considérant alors que la chaleur du noyau liquide est transportée par convection, le gradient adiabatique donne pour la surface du noyau une température de l’ordre de 3800K. La température au centre de la Terre serait de l’ordre de 6000K. Une équipe du University College de Londres a donné en 1999 des valeurs beaucoup plus élevées, de l’ordre de 9900K, fondées elles aussi sur des extrapolations de la courbe de fusion du fer, voir 11500° pour du fer pur. Le calcul ab initio des énergies libres du fer liquide et solide à 330 G.Pa. (Alfé, Gillan et Price 1999) donne une température de 6700 ± 600K à la frontière noyau-graine. Le débat n’est pas clos, mais la tendance vers de plus hautes valeurs de la température du noyau tend à montrer que la part de celui-ci dans le bilan thermique de la Terre (chaleur initiale et chaleur latente) sera certainement à revoir dans les années qui viennent.

On estime que la viscosité du fer fondu dans les conditions régnant dans le noyau est peu différente de celle que l'on obtient en surface. Elle serait donc du même ordre de grandeur que la viscosité de l'eau ! Nous avons vu au chapitre précédent que le Noyau fonctionne comme une magnétohydrodynamique et que la force de Coriolis joue un rôle important dans le développement e ce champ.

On sait que Coriolis n’est applicable qu’à un objet animé d’une vitesse significative. Dans le noyau, les vitesses de déplacement par convection seraient de l’ordre de une à plusieurs dizaines de kilomètres par an. « Dynamo », le modèle de convection sphérique en rotation et de calcul du champ (dipolaire et non dipolaire) de Glatzmaier et Roberts (1997 ; Fig. 1, et copie de l’animation du modèle sur http://www.emse.fr/~bouchardon/) intégrant le rôle de la graine solide conductrice, montre de larges courants équatoriaux, tournant vers l’est au voisinage de la graine et vers l’ouest à proximité du manteau.

Fig. 1 : Circulation dans le noyau liquide ;

en jaune les régions de vitesse maximum, en bleu l’interface noyau-manteau, en rouge la limite noyau-graine.

Le champ magnétique simulé est majoritairement dipolaire (Fig. 2).

Fig. 2 : Champ magnétique jusqu’à une distance de 2 rayons terrestres; en bleu champ rentrant dans le manteau ; en orange , champ sortant.

L’axe de rotation est vertical et passe par le centre.

MC - Magnetisme Dynamo - Saifane.htm

Une transition apparaît à la limite noyau-manteau, séparant un champ à structure complexe produit par le noyau liquide du reste du champ beaucoup plus régulier. Les structures non dipôles obtenues par ce modèle au sein du noyau (et non en surface comme dans les travaux de Gubbins et al. Chp. 4) se décalent lentement vers l’ouest de 2°/an, suggérant que la graine tourne légèrement plus vite que le manteau terrestre. Pour Ken Creager ce différentiel de vitesse pourrait être très petit <0.5°.

2 - La graine solide

Nous avons vu que la vitesse de transmission des rais sismiques présente une zone interne plus rapide que son enveloppe plus lente. A la fin des années 90, W.J. Su et A.M. Dziewonski ont découvert en analysant précisément la distribution spatiale des vitesses des ondes sismiques que la graine présente en outre un axe d'anisotropie incliné d'une dizaine de degrés par rapport à l'axe de rotation de la Terre (Fig. 3a). Les ondes P qui voyagent dans la graine entre ses pôles seraient (même après correction de l’aplatissement terrestre) plus rapides de 5 secondes que celles qui voyagent dans son plan équatorial, ce que l'on pourrait peut-être attribuer à deux causes possibles:

1 -   soit une convection axisymétrique provoquant une orientation des cristaux de fer ;

2 -   soit un dépôt orienté de ces mêmes cristaux par le champ magnétique du noyau.

a)                                                                           b)

Fig. 3 a-b : a) Vitesses de propagation dans la graine :  zones lentes en rouge ; zones rapides en bleu.

L'axe d'anisotropie de la graine (point rouge) n'est pas confondu avec l'axe de rotation du globe. b)  système HCP

Dans les deux cas, l’anisotropie observée résulterait du mode de cristallisation du fer sous haute pression, stable dans le système hexagonal compact (HCP, Fig. 3b), axisymétrique. L'orientation préférentielle des cristaux peut engendrer des variations fortes des propriétés élastiques selon les directions. Pour S.I. Karato (1999), cette anisotropie serait provoquée par les forces de Lorenz liées au champ toroïdal qui, en comprimant de plus en plus la graine (en direction de l’axe de rotation) depuis l’équateur (où la force est nulle puisque les lignes du champ changent de sens) vers le pôle de la graine (où les forces de Lorenz deviennent maximum). En observant le comportement de rais sismiques répétés au cours des 30 dernières années, couplant une même région sismiquement active avec un ou des observatoires de mesure, X. Song et P. Richards  ont mis en évidence une évolution temporelle de l’axe d'anisotropie de la graine, traduisant une rotation de la graine vers l’ouest de 1° par an. Le mécanisme et l’ampleur de cette super-rotation de la graine par rapport au manteau, et son existence même, sont encore largement débattus. Pour Kenneth Creager, cette super rotation serait due au mécanisme complexe de transfert d’énergie du noyau vers le manteau, dont le modèle très fertile de géodynamo de Glatzmaier et Roberts donne l’image suivante : le champ magnétique généré dans la Terre génère à son tour un couple de forces qui s’applique au noyau, imposant à la graine solide et au noyau liquide sus-jacent une co-rotation vers l’ouest par rapport à la surface. Pour Glatzmaier et Roberts ce mécanisme est l’analogue d’un moteur synchrone, pour lequel le champ, transporté vers l’ouest par le fluide du noyau agit comme le champ tournant du stator, alors que la graine agit comme le rotor d’un tel moteur. Dans ces simulations, la rotation différentielle engendrée est de 2°/an à 3°/an, ce qui est en accord avec les observations sismologiques.

Il convient cependant de rester critique, d'abord parce que les données collectées sont limitées dans le temps et donc ne couvrent qu'une fraction très petite de révolution de la graine, et ensuite parce que les données les plus anciennes (années 60) sont à la fois moins précises et moins nombreuses. Ainsi, l'apparente inclinaison de l'axe d'anisotropie pourrait provenir de la distribution irrégulière des stations sismologiques et des séismes observés (principalement issus de rides océaniques et de zones de subductions). En outre, selon S. Tanaka et H. Hamaguchi (1997) il est possible que la graine ne soit pas de symétrie cylindrique. De plus, comme le souligne Annie Souriaux, la rotation différentielle de la graine pose un problème théorique: la forme de la graine doit être modelée par le champ de gravité du manteau. Celui-ci étant hétérogène il génère nécessairement des creux et des bosses à la surface de la graine. Si celle-ci est bien en super rotation par rapport au manteau, leur couplage gravifique doit engendrer la disparition et la recréation simultanée de ces creux et bosses (de quelques x100m tout de même)… En d’autres termes, si la graine tourne plus vite que le manteau, elle doit adapter sa forme au champ de gravité. Il faut donc que les "bosses" de la graine fondent pour se recristalliser ailleurs, ou  se déforment par viscosité. Pour Laske et Masters (1999), cette super rotation n’existerait pas, et ne serait qu’un artefact lié justement aux hétérogénéités de la graine. Le noyau recèle encore bien des mystères !

Il est à noter que parmi les champs magnétiques des planètes du système solaire, seuls les champs actifs ont une forte intensité (tab. 1 du Chp. 3). Depuis, d'autres analyses ont conduit à des valeurs allant On constate aussi (Fig. 4) que si l’orientation du champ dipolaire est souvent proche de l’axe de rotation de la planète, Uranus et Neptune montrent un champ d’orientation très différente. La nature de ces champs n’est pas encore bien connue.

Chp Magnet Planet

Fig.4 : Champ magnétique des planètes du système solaire

 

Constituée de fer quasi pur, la graine résulte de la cristallisation du noyau. Les calculs laissent à penser que 30 à 100 m3 de graine sont ainsi cristallisés chaque jour, dégageant assez de chaleur latente pour entretenir la convection dans le noyau liquide. En outre, le liquide restant est enrichi par soustraction du fer en éléments qui n'entrent pas dans la graine (fractionnement chimique). Ces éléments plus légers que le fer doivent donc avoir tendance à remonter vers la surface du noyau, libérant de l'énergie potentielle de gravité. L'ensemble pourrait suffire, même sans radioactivité (40K, § bilans énergétiques), à entretenir la géodynamo. Une telle géodynamo peut fonctionner dès lors que le noyau existe, ce qui expliquerait que l’on ait pu observer l'existence de ce champ dans des roches très anciennes, allant jusqu'à 3.8 Ga. (Ishua, Groenland) et même 3.96 Ga. (Acasta, USA). En cas d'arrêt de la convection dans le noyau, on estime à 10 000 ans environ le temps de disparition du champ magnétique. Ce temps correspond à la dissipation par effet Joule de l'énergie disponible dans le fluide conducteur arrêté.

3 - Les inversions du champ terrestre

Lire cours-2008-2009-seismologie.ppt. Les inversions du champ terrestre sont fréquentes. La durée moyenne de stabilité est de l'ordre de quelques centaines de milliers d'années, mais elle peut être beaucoup plus courte (Fig. 5).

Fig. 5, échelle des polarités et des temps durant 4.5 Ma

Inversement, par deux fois au moins (Fig. 6), au Permien (limite Permien-Trias = 250 Ma.) et au Crétacé (Limite Crétacé-Tertiaire =65 Ma.), la géo-dynamo a “ oublié ” de permuter ses pôles pendant plusieurs dizaines de millions d'années.

fréquence des alternances 256

Fig. 6 : fréquence des inversions de polarité du champ ;  en dessous inversions depuis 170 Ma.

 

Les inversions bien documentées du paléo champ de la Terre apparaissent rapides (5000 à 15000 ans) et l’errance des pôles magnétiques pendant cette période montre clairement deux choses :

1 -   Les pôles parcourent des chemins préférentiels,  découverts par C. Laj et al.(1991, Fig. 7a) ;

2 -   l’inversion s'accompagne d'un affaiblissement très important du champ dipolaire.

Fig. 7a : chemins préférentiels des pôles durant les inversions

 

La décroissance rapide de l’intensité du champ actuel pourrait l’amener à zéro dans 2 à 3 milliers d’années, suggérant que nous sommes en train de vivre le début d’une telle inversion. En 1995, dans la simulation de G.A. Glatzmaier et P.H. Roberts (Fig. 7b), la première inversion est apparue à 36000 ans, la seconde à 120000 ans et la troisième à 220000 ans.

Fig. 7b : état du champ magnétique terrestre lors d’une inversion, à t = 500 ans après le début de l’inversion, t=1000 ans et t = 1500 ans, d’après Glatzmaier et Roberts

Comme dans les archives géologiques, les inversions sont un phénomène rapide, pendant lequel le champ non dipolaire devient temporairement dominant. Enfin leur apparition apparaît chaotique. Selon certains auteurs, les modifications fréquentes des champs magnétiques de la graine et du noyau tendraient à inverser le dipôle, mais selon des constantes de temps très différentes, faible dans le noyau liquide et longue dans la graine. Une inversion nécessiterait alors la coïncidence de ces deux phénomènes. Nous avons vu au chapitre 3 que le modèle « Dynamo », en prenant en compte les échanges de chaleur du noyau avec le manteau,  montre qu’aucune inversion ne se produirait si le flux de chaleur vers le manteau était constant. Les inversions modélisées telles que celles à 120000 et 220000 ans l’ont en effet été avec un flux de chaleur hétérogène, suggérant qu’en effet la structure thermique du manteau inférieur joue un rôle important sur la convection dans le noyau liquide sous-jacent  et corrélativement sur le champ magnétique. La coïncidence relevée par Gubbins et al. (2007, Chp. 3) de la trace des pôles parcourant des chemins préférentiels durant les inversions découverts par C. Laj et al.(1991, Fig. 7a) avec l’existence d’ondes sismiques S lentes dans le manteau au voisinage de l’interface avec le noyau confirme le rôle de la structure thermique profonde de la Terre dans le phénomène des inversions du champ.

Les observations récentes de l’équipe du Geophysical Center allemand sur une inversion de polarité observée avec la magnétisation des sédiments de la Mer Noire conduisent à admettre qu’un flip-flop des pôles magnétiques peut, selon Norbert Nowaczyk et Helge Arz (2012 , Fig7c), se faire en un temps beaucoup plus rapide qu’on le pensait. La vitesse de l'inversion est très grande et sa durée très courte, 440 ans environ, et les changements de polarité n'ont duré que 250 ans. A l’époque où cette inversion s’est produite, l’intensité moyenne du champ n'était qu'un quart du champ actuel, et durant l’inversion le champ était encore plus faible, avec seulement 5% du champ actuel. La Terre a alors largement perdu son bouclier de protection contre les rayons cosmiques, entraînant une augmentation significative de l'exposition aux rayonnements. Corrélativement, on observe un pic de 10Be dans les glaces de cette époque de l'inlandsis groenlandais. Rappelons que 10Be, comme 14C est le produit de la collision de protons de haute énergie provenant de l'espace avec des atomes de l'atmosphère (Chp1D1 p.15). Cette inversion de polarité vers 41000 ans BP a été découverte il y a un demi-siècle déjà dans le magnétisme de du volcanisme du Puy de Dôme, dans des coulées de lave du village de Laschamp qui a donné son nom à cette courte inversion des pôles.

Fig. 7c : Flip-flop vers 41000 BP ; trajet du pôle Nord

http://www.sciencedaily.com/releases/2012/10/121016084936.htm

Selon H. Wang et al. évoqués plus avant (Chp. 3.C.1), l’intensité du champ dipolaire enregistré dans la pile volcanique des Galapagos durant les 2 derniers Ma n’a que rarement atteint la valeur actuelle.  Pour les auteurs, la décroissance observée depuis 2000 ans environ ne serait qu’un retour vers la moyenne de l’intensité courante dans ces  derniers Ma. A suivre ! 

La recherche en paléomagnétisme permet de considérer que la géodynamo terrestre a fonctionné depuis à peine quelques dizaines de millions d’années après la formation de la Terre, et elle admet que l’intensité moyenne du champ (hors inversions) a été relativement constante depuis. Pour l’heure, seule une période d’environ 300 à 350 millions d’années semble échapper à cette apparente régularité : il s’agit de la fin du Précambrien, entre 1 G.a et 650-700 M.a, époque pendant laquelle les reconstitutions paléogéographiques grâce aux paramètres des champs rémanents (intensité, direction) suggèrent que le champ magnétique dipolaire aurait été plus faible, rendant plus présents les pôles magnétiques multipolaires. Récemment, Peter Driscoll (2016) de la Carnegie Institution, a publié de nouvelles simulations 3D du fonctionnement de la géodynamo durant les deux derniers G.a, s’appuyant sur un nouveau modèle d’évolution thermique du noyau. Selon cet auteur une forte augmentation de l'intensité doit suivre la mise en route de cristallisation de la graine dans le noyau (Internal Core Nucléation, ICN), ce que reflèterait fidèlement l’histoire du champ magnétique généré par son modèle : la géodynamo serait passée d’un régime initial multipolaire au régime dipolaire vers 1.7 Ga, puis à une dynamo à champ faible se serait mise en place autour de 1 Ga, enfin remplacée par un dipôle à forte intensité vers 650 Ma qui est maintenu jusqu'à nos jours. Une telle période de champ faible pourrait rendre compte des champs complexes et du comportement des inversions observés durant le Néoprotérozoïque. Le retour à une géodynamo dipolaire forte qui accompagne tout le Phanérozoïque (le temps des fossiles, du grec phaneros = visible, et zôon = animal) pourrait être une signature de la nucléation de noyau interne, la graine.

 

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