Une équipe de chercheurs a découvert que le noyau interne de la Terre n’est pas une masse homogène mais plutôt une « tapisserie » complexe composée de différents tissus. Cette recherche offre de nouvelles perspectives sur la formation et l’évolution de la Terre, ainsi que sur la création de son champ magnétique protecteur.
Des chercheurs de l’Université de l’Utah ont découvert que le noyau interne de la Terre n’est pas une masse homogène mais une tapisserie complexe de différents tissus. Ces conclusions, publiées dans Nature, sont issues de données sismiques provenant de tremblements de terre et des instruments de détection de l’OTICE. Elles suggèrent que le noyau interne s’est initialement développé rapidement, qu’il a ralenti au fil du temps et qu’il pourrait contenir du fer liquide.
Au centre de la Terre se trouve une boule de métal solide, une sorte de « planète dans la planète », dont l’existence rend possible la vie à la surface, du moins telle que nous la connaissons.
La façon dont le noyau interne de la Terre s’est formé, a grandi et a évolué au fil du temps reste un mystère, qu’une équipe de chercheurs dirigée par l’université de l’Utah tente de percer à l’aide des ondes sismiques produites par les tremblements de terre naturels. Bien que cette sphère de 2 442 kilomètres de diamètre représente moins de 1 % du volume total de la Terre, son existence est à l’origine du champ magnétique de la planète, sans lequel celle-ci serait bien différente.
Mais le noyau interne n’est pas la masse homogène que les scientifiques supposaient autrefois, il ressemble plutôt à une tapisserie de différents « tissus », selon Guanning Pang, ancien doctorant au département de géologie et de géophysique de l’université de l’Utah.
« Pour la première fois, nous avons confirmé que ce type d’inhomogénéité est présent partout dans le noyau interne », a déclaré Pang. Actuellement chercheur post-doctoral à l’université Cornell, M. Pang est l’auteur principal d’une nouvelle étude, publiée le 5 juillet dans la revue Nature, qui ouvre une fenêtre sur les profondeurs de la Terre. Il a mené cette étude dans le cadre de sa thèse de doctorat à l’Utah.
Sommaire
L’autre frontière finale
« Notre étude visait à examiner le noyau interne », a déclaré Keith Koper, sismologue à l’université de l’Utah, qui a supervisé l’étude. « C’est comme une zone frontalière. Chaque fois que l’on veut obtenir une image de l’intérieur de quelque chose, il faut éliminer les effets superficiels. C’est donc l’endroit le plus difficile à imager, la partie la plus profonde, et il y a encore des choses inconnues à son sujet ».
Cette recherche a exploité un ensemble de données spéciales générées par un réseau mondial de réseaux sismiques mis en place pour détecter les explosions nucléaires. En 1996, les Nations unies ont créé la Commission préparatoire de l’Organisation du traité d’interdiction complète des essais nucléaires (OTICE), afin de garantir le respect du traité international interdisant de telles explosions.
Le professeur de géologie Keith Koper dirige les stations sismographiques de l’Université de l’Utah. Crédit : Université de l’Utah
Sa pièce maîtresse est le système de surveillance international (IMS), qui comprend quatre systèmes de détection des explosions à l’aide d’instruments de détection avancés répartis dans le monde entier. Bien que leur objectif soit de faire respecter l’interdiction internationale des détonations nucléaires, ils ont fourni des tonnes de données que les scientifiques peuvent utiliser pour jeter un nouvel éclairage sur ce qui se passe à l’intérieur de la Terre, dans les océans et dans l’atmosphère.
Ces données ont facilité les recherches qui ont permis d’éclairer les explosions de météorites, d’identifier une colonie de baleines bleues pygmées, de faire progresser les prévisions météorologiques et de comprendre comment se forment les icebergs.
Si la surface de la Terre a été minutieusement cartographiée et caractérisée, son intérieur est beaucoup plus difficile à étudier car il n’est pas directement accessible. Les meilleurs outils pour détecter ce royaume caché sont les ondes sismiques des tremblements de terre qui se propagent à partir de la fine croûte de la planète et vibrent à travers son manteau rocheux et son noyau métallique.
« La planète s’est formée à partir d’astéroïdes qui se sont en quelque sorte accrétés… [in space]. Ils se heurtent les uns aux autres et génèrent beaucoup d’énergie. La planète entière, lorsqu’elle se forme, est donc en train de fondre », a expliqué M. Koper. « C’est simplement que le fer est plus lourd et que l’on obtient ce que l’on appelle la formation d’un noyau. Les métaux s’enfoncent au milieu, la roche liquide se trouve à l’extérieur et se fige avec le temps. La raison pour laquelle tous les métaux se trouvent en bas est qu’ils sont plus lourds que les roches ».
Une planète dans une planète
Depuis quelques années, le laboratoire de M. Koper analyse les données sismiques sensibles au noyau interne. Une étude précédente, dirigée par Pang, a identifié des variations entre la rotation de la Terre et le noyau interne qui pourraient avoir déclenché un changement de la durée du jour entre 2001 et 2003.
Le noyau de la Terre, qui mesure environ 4 300 miles de diamètre, est composé principalement de fer et d’un peu de nickel, ainsi que de quelques autres éléments. Le noyau externe reste liquide, enveloppant le noyau interne solide.
Les stations sismographiques installées sur le campus de l’Université de l’Utah enregistrent les mouvements de la terre. Crédit : Dave Titensor/Université de l’Utah
« C’est comme une planète à l’intérieur d’une planète qui a sa propre rotation et qui est découplée par ce grand océan de fer en fusion », a déclaré Koper, professeur de géologie qui dirige les stations sismographiques de l’université de l’Utah.
Le champ protecteur d’énergie magnétique qui entoure la Terre est créé par la convection qui se produit dans le noyau externe liquide, qui s’étend sur 2 260 kilomètres au-dessus du noyau solide. Le métal en fusion s’élève au-dessus du noyau interne solide, se refroidit à l’approche du manteau rocheux de la Terre et s’enfonce. Cette circulation génère les bandes d’électrons qui enveloppent la planète. Sans noyau interne solide, ce champ serait beaucoup plus faible et la surface de la planète serait bombardée de radiations et de vents solaires qui décaperaient l’atmosphère et rendraient la surface inhabitable.
Pour cette nouvelle étude, l’équipe de l’Université de l’Utah a examiné les données sismiques enregistrées par 20 réseaux de sismomètres placés dans le monde entier, dont deux en Antarctique. Le plus proche de l’Utah se trouve à l’extérieur de Pinedale, dans le Wyoming. Ces instruments sont insérés dans des trous forés jusqu’à 10 mètres dans des formations granitiques et disposés de manière à concentrer les signaux qu’ils reçoivent, comme le font les antennes paraboliques.
Pang a analysé les ondes sismiques de 2 455 tremblements de terre, tous d’une magnitude supérieure à 5,7, soit à peu près la force du tremblement de terre de 2020 qui a secoué Salt Lake City. La façon dont ces ondes ont rebondi sur le noyau interne permet de cartographier sa structure interne.
Les tremblements de terre de moindre ampleur ne génèrent pas d’ondes suffisamment fortes pour être utiles à l’étude.
Le signal qui revient du noyau interne est vraiment minuscule, de l’ordre du nanomètre », a expliqué M. Koper. La taille est de l’ordre du nanomètre », a déclaré M. Koper. « Ce que nous faisons, c’est chercher une aiguille dans une botte de foin. Ces petits échos et réflexions sont donc très difficiles à voir.
Le noyau change
C’est en 1936 que les scientifiques ont utilisé pour la première fois des ondes sismiques pour déterminer que le noyau interne était solide. Avant la découverte du sismologue danois Inge Lehmann, on supposait que tout le noyau était liquide car il est extrêmement chaud, avoisinant les 10 000 degrés Fahrenheit, soit à peu près la température à la surface du soleil.
À un moment donné de l’histoire de la Terre, le noyau interne a commencé à se « nucléer », c’est-à-dire à se solidifier, sous l’effet des pressions intenses existant au centre de la planète. On ne sait toujours pas quand ce processus a commencé, mais l’équipe de l’université de l’Utah a glané des indices importants à partir des données sismiques, qui ont révélé un effet de diffusion associé aux ondes qui ont pénétré à l’intérieur du noyau.
« Notre plus grande découverte est que l’inhomogénéité a tendance à être plus forte lorsque l’on s’enfonce plus profondément. Vers le centre de la Terre, elle a tendance à être plus forte », a déclaré M. Pang.
« Nous pensons que ce tissu est lié à la vitesse de croissance du noyau interne. Il y a longtemps, le noyau interne s’est développé très rapidement. Il a atteint un équilibre, puis a commencé à croître beaucoup plus lentement », a déclaré M. Koper. « Tout le fer n’est pas devenu solide, de sorte qu’une certaine quantité de fer liquide a pu être piégée à l’intérieur.
Ont participé à cette étude, financée par la National Science Foundation, des chercheurs de l’université de Californie du Sud, de l’université de Nantes en France et du laboratoire national de Los Alamos.
Référence : « Enhanced inner core fine-scale heterogeneity towards Earth’s centre » par Guanning Pang, Keith D. Koper, Sin-Mei Wu, Wei Wang, Marine Lasbleis et Garrett Euler, 5 juillet 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06213-2