Croissance très singulière de la graine dans le noyau de la Terre

Lundi, 31 mai 2010

La graine, partie solide du noyau de la Terre, présente une asymétrie de ses propriétés sismiques entre deux hémisphères Est et Ouest. Des chercheurs du Laboratoire "Dynamique Terrestre et Planétaire" (INSU-CNRS, OMP) à Toulouse et du CEREGE (INEE-INSU-CNRS) à Aix-Marseille proposent, dans une publication à Science, un modèle original. Le mode de croissance dissymétrique de la graine impliquerait 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 deleur transit. Ce modèle s'appuie sur de nouvelles données sismologiqueset sur le calcul de la vitesse et de l'atténuation des ondes sismiques sepropageant dans des agrégats de fer.

Trajet des ondes sismiques (PKIKP). La graine est la structure la plus profonde de la Terre. Cette sphère de 1220 km de rayon est constituée d'un alliage solide de fer et de nickel, qui au cours du refroidissement de la Terre cristallise et grossit au dépend du noyau liquide qui l'entoure. Inaccessible, la graine reste énigmatique à bien des points de vue. Une de ses propriétés les plus étranges est l'asymétrie qu'elle présente entre ses faces Ouest et Est. En effet, les ondes sismiques qui traversent les 100 premiers kilomètres sont plus lentes et moins atténuées en parcourant l'hémisphère Ouest centré sur l'Amérique qu'en parcourant l'hémisphère Est centré sur l'Indonésie.


Carte des différences de temps de trajet entre les ondes PKiKP qui rasent la graine et les ondes PKiKP qui y pénètre jusqu'à 100km de profondeur environ. Cet écart temporel est révélateur des propriétés de la graine à faible profondeur. Les cercles indiquent la position géographique des zones échantillonnées sous la surface de la graine. Les points G et M correspondent à la position du minimum et du maximum de cette distribution. © Monnereau et al. 2010
L'étude présentée ici, montre à partir de nouveaux enregistrements sismologiques que cette anomalie hémisphérique s'organise autour d'un axe de symétrie traversant la Terre dans le plan équatorial. La vitesse et l'atténuation* des ondes sismiques sont minimales sous une région localisée à l'aplomb de Quito en Équateur, elles augmentent progressivement pour atteindre des valeurs maximales aux antipodes, sous Padang en Indonésie. Quelle peut être la cause physique de ces variations ?

Dans la graine, les ondes sismiques sont atténuées par des obstacles qui renvoient une partie de leur 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 très anisotropes sont orientés dans toutes les directions. Lorsque que l'onde sismique passe d'un grain à un autre, elle est affectée par d'importantes variations de propriétés élastiques et l'énergie sismique est alors fortement diffusée. On parle de diffusion multiple. Ainsi l'anisotropie ouest-est de la graine, peut-elle être interprétée en terme de propriété des grains de fer, et en particulier de leur taille.


Schéma présentant le modèle de croissance de la graine. Dans un régime super-adiabatique, la graine est instable et la moindre hétérogénéité de température est susceptible de déplacer le centre de masse de la graine vers son hémisphère le plus froid et donc le plus dense (gauche). À l'équilibre, les centres de masse de la graine et celui de la Terre (o) coïncident et une translation (de la position en pointillé à celle en trait plein) induit une topographie (h). Celle-ci ne correspond plus aux conditions thermodynamiques du changement de phase liquide-solide (la pression essentiellement) et devient instable. Ainsi, cristallisation à la surface du coté dense et fusion de l'autre coté tendent à effacer cette topographie, mais en retour amplifient l'hétérogénéité de densité. Il en résulte un mouvement de translation permanent dont la vitesse est contrôlée par la cinétique du changement de phase. Les principales conséquences sont une augmentation de l'âge (en couleur) d'un coté (bleu) à l'autre (jaune) et une variation de la taille des grains qui grossissent au cours de leur transit. © Monnereau et al. 2010
À partir d'un modèle de diffusion multiple, l'équipe a pu calculer la taille de ces grains de fer : environ 500 m dans l'hémisphère Ouest et 5 à 10 km dans l'hémisphère Est. Cette taille de grains peut sembler élevée, mais elle reste compatible avec les modèles classiques de croissance cristalline décrits en métallurgie. La croissance des grains étant directement reliée au temps écoulé pour les former, les observations sismiques suggèrent donc que les grains sont plus jeunes à l'Ouest qu'à l'Est.

Pour expliquer cette particularité, les auteurs proposent un modèle où les grains qui constituent la graine migrent en permanence d'Ouest en Est. Cristallisés à l'Ouest à partir du noyau liquide, ils traversent la graine vieillissant et grossissant à la fois, jusqu'à atteindre le bord opposé et fondre en franchissant la limite avec le noyau liquide.

Le moteur de ce processus est le refroidissement du noyau, lié au refroidissement de la Terre elle-même. On estime que le noyau liquide, brassé par des courants de convection très vigoureux, se maintient dans des conditions telles que toute baisse de sa température en surface (c'est-à-dire au contact du manteau) se répercute à sa base, à la surface de la graine où des grains de fer peuvent cristalliser. Dans la partie solide, l'évacuation de chaleur par la seule conduction est moins efficace et peut laisser l'intérieur de la graine suffisamment chaud pour que celle-ci soit gravitationnellement instable. Les conditions de cette instabilité sont favorisées par un taux de refroidissement séculaire important, correspondant à une graine relativement jeune, âgée de seulement 1 à 2 milliards d'années. Si la graine se trouve dans cet état, la moindre dissymétrie de cristallisation à sa surface engendrera un déplacement de son centre de masse vers le coté le plus dense, c'est-à-dire celui qui cristallise davantage. En fait, comme la position d'équilibre du centre de masse de la graine coïncide avec celui de la Terre, c'est toute la graine qui se translate, plaçant la face du côté dense et celle qui lui est opposée dans des conditions thermodynamiques telles que la première cristallise et la seconde fond. Ainsi, la dissymétrie de cristallisation et le mouvement se trouvent amplifiés.

Il s'agit là d'un mode de convection très particulier, car il se produit sans déformation. Selon ce modèle, le déplacement est une simple translation. La graine grossit sur une face et fond de l'autre et c'est le processus de cristallisation-fusion qui contrôle la vitesse de la translation. Les auteurs ont pu évaluer qu'il était au moins trois fois supérieur au taux moyen de cristallisation de la graine, soit supérieur à 1,5 mm/an.

La principale conséquence de ce processus est que le fer dans la graine est perpétuellement renouvelé. Non seulement son âge n'est pas partout le même (il est plus jeune à l'Ouest), mais il est souvent plus jeune que la graine elle-même.


Modélisation de l'âge et taille des grains de fer dans la graine pour trois vitesses de translation (V) et deux dates du début de la translation (t0). La vitesse V est normalisée par le taux de croissance de la graine et la date t0 par l'âge de la graine. t0=0 indique que ce mouvement affecte la graine depuis le début de sa cristallisation alors pour to=0.8, le processus a débuté à 0.8 fois l'âge de la graine. Ces répartitions sont présentées à la superficie de la graine et par une coupe transversale contenant l'axe GM. © Monnereau et al. 2010

Source(s): 

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

Contact(s):
  • Marc Monnereau, Dynamique terrestre et planétaire (INSU-CNRS, UPS -OMP)
    marc [dot] monnereau [at] dtp [dot] obs-mip [dot] fr, 05 61 33 29 68
  • Marie Calvet, Dynamique terrestre et planétaire (INSU-CNRS, UPS -OMP)
    calvet [at] dtp [dot] obs-mip [dot] fr, 05 61 33 30 14

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