La graine, à l'intérieur du noyau terrestre, aurait une croissance asymétrique.

La graine, partie solide du noyau de la Terre, présente une asymétrie de ses propriétés sismiques entre ses hémisphères Est et Ouest. L'origine de cette étonnante caractéristique vient d'être expliquée par des chercheurs du Laboratoire "Dynamique Terrestre et Planétaire" de l'OMP à Toulouse et du CEREGE à Aix-Marseille : le mode de croissance de la graine implique une translation d'Ouest en Est entraînée par une cristallisation du fer sur l'hémisphère Ouest et sa fusion sur l'hémisphère Est. Ce mouvement de translation, entretenu par le refroidissement séculaire de la Terre, génère une distribution asymétrique de la taille des grains de fer qui grossissent au cours de leur transit. Ce modèle s'appuie sur de nouvelles données sismologiques et sur le calcul de la vitesse et de l'atténuation des ondes sismiques se propageant dans des agrégats de fer.

La graine est la structure la plus profonde de la Terre. C'est une sphère de 1220 km de rayon, constituée d'un alliage solide de fer et de nickel, qui grossit à partir de la cristallisation du noyau liquide, au fur et à mesure que la Terre se refroidit. Inaccessible si ce n'est par les ondes sismiques, cette graine reste énigmatique à bien des points de vue. Une de ses propriétés les plus étranges est certainement l'asymétrie qu'elle présente entre ses hémisphères Ouest et Est et qui s'observe en particulier dans sa partie très superficielle, les 100 premiers kilomètres. Les ondes sismiques paraissent plus lentes et moins atténuées dans l'hémisphère Ouest.

Cette nouvelle étude propose une explication à cette asymétrie. Tout d'abord elle montre, à partir de nouveaux enregistrements sismologiques échantillonnant la partie superficielle de la graine, que l'anomalie hémisphérique s'organise autour d'un axe de symétrie traversant la Terre dans le plan équatorial, vitesse et atténuation étant les plus faibles sous une région localisée à l'aplomb de Quito en Équateur et augmentant progressivement pour atteindre des valeurs maximales aux antipodes, sous Padang en Indonésie.
Quelle peut être la cause physique de ces variations ? La corrélation entre vitesse et atténuation est opposée à celle observée dans le manteau, où l'atténuation est dominée par des processus visco-élastiques. Dans la graine au contraire, c'est principalement la diffusion qui est responsable de l'atténuation : les ondes perdent de l'énergie au cours de leur propagation parce qu'elles rencontrent des obstacles qui renvoient une partie de cette énergie en dehors de la direction moyenne de propagation. Ces obstacles sont les grains de fer eux-mêmes ! En effet, dans la graine superficielle, les grains de fer sont orientés dans toutes les directions. Le fer étant très anisotrope, l'onde sismique passant d'un grain à un autre est affectée par d'importantes variations de propriétés élastiques et l'énergie sismique est alors fortement diffusée. À partir d'un modèle de diffusion multiple, il a été possible de calculer la taille de ces grains de fer : environ 500 m à l'Ouest et de 5 à 10 km à l'Est. Cette taille de grains peut sembler élevée, mais elle reste compatible avec les modèles classiques de croissance cristalline décrits en métallurgie.
Les observations sismiques suggèrent une maturation au cours du temps avec des grains plus jeunes à l'Ouest qu'à l'Est. Pour l'expliquer, les auteurs proposent un modèle de graine en translation permanente d'Ouest en Est, dont le moteur est le refroidissement séculaire du noyau. Ce refroidissement est aussi une des source des courants qui brassent le noyau liquide et qui génèrent le champ magnétique de la Terre. Leur vigueur permet de maintenir la température du noyau liquide proche de l'adiabatique — état de référence où l'augmentation de la température avec la profondeur n'est due qu'à l'augmentation de la pression. Dans la partie solide, l'évacuation de chaleur par la seule conduction est moins efficace et peut laisser la graine plus chaude que cet état de référence et par conséquent gravitationnellement instable.

Les conditions de cette instabilité sont connues. Elles sont favorisées par un taux de refroidissement séculaire important, correspondant à une graine relativement jeune, âgée de seulement 1 à 2 milliards d'années. En revanche, la dynamique envisagée jusqu'à présent pour la graine était à l'image de celle du manteau : une convection limitée au périmètre de son enveloppe. Mais celle-ci est un simple changement de phase (solide-liquide) parfaitement perméable, qui autorise les échanges de matière entre la graine et le noyau liquide. Le premier mode de convection à se développer sous ces conditions est une translation solide, impliquant la cristallisation du fer sur une face et sa fusion sur la face opposée au franchissement du changement de phase. L'hémisphère qui cristallise reste le plus froid et donc le plus dense, entretenant le déséquilibre moteur de ce mouvement. Dans ce mécanisme, c'est la cinétique du changement de phase qui contrôle la vitesse. Comme celle-ci est favorisée à l'équateur par la nature cylindrique ou colonnaire de la dynamique du noyau liquide, il n'est pas étonnant d'observer que la translation de la graine se soit établie dans le plan équatorial.

 

La principale conséquence de ce processus est que le fer dans la graine est perpétuellement renouvelé. Non seulement l'âge du fer n'est pas partout le même (il est plus jeune à l'Ouest), mais il est souvent plus jeune que la graine elle-même et d'autant plus jeune que la vitesse de translation est grande. En combinant un modèle cinématique de cristallisation de la graine en translation avec une loi de croissance des grains de fer au cours du temps, on trouve que la vitesse de translation doit être supérieur à trois fois le taux de cristallisation, c'est-à-dire au moins égale à 1,5 mm/an.

Source:

M. Monnereau, M. Calvet, L. Margerin et A. Souriau, Lopsided growth of Earth's inner core, Published Online April 15, 2010 ?Science DOI: 10.1126/science.1186212

Contacts:

Marc Monnereau, DTP
monnereauSPAMFILTER@dtp.obs-mip.fr, +33561332968

Marie Calvet, DTP
calvetSPAMFILTER@dtp.obs-mip.fr, +33561333014

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