Noyau interne

Écorché de l'intérieur de la Terre. La graine est la partie jaune vif située au centre.

La graine ou noyau interne terrestre est la partie solide située au centre de la Terre. Plus précisément, la graine est une boule solide de 1 220 kilomètres de rayon au centre du noyau liquide (noyau externe). Elle est composée principalement de cristaux de fer qui se solidifient à sa surface lors du refroidissement de notre planète. Son étude reste un domaine très actif de la recherche en sciences de la Terre^[1].

Découverte

La graine a été découverte par la sismologue danoise Inge Lehman^[2] en 1936. Dans la publication originelle, elle a interprété l'observation de l'arrivée inattendue d'une onde sismique dans des sismogrammes de télé-séismes comme la réflexion sur une boule interne dont elle a évalué le rayon à 1/6ème du rayon terrestre.

Vitesse sismique de compression P et de cisaillement S à l'intérieur de la Terre selon le modèle PREM. La graine est la région la plus profonde à 5150 km, étiquetée 6 au-dessous du noyau externe, liquide, et qui ne permet pas la propagation des ondes de cisaillement S.

Cette découverte a été confirmé par la sismologie moderne et en particulier lors de la publication du modèle PREM (Preliminary Reference Earth Model) ^[3], qui fixe son rayon à 1221,5 km. D'autre part, la propagation des ondes de cisaillement (S) permet d'affirmer qu'elle est solide alors que la couche environnante de la graine, le noyau externe, ne transmet pas les ondes de cisaillement et de ce fait est liquide.

Ce même modèle PREM permet aussi d'évaluer sa densité qui augmente de 12 300 kg/m3 à la surface de la graine à 13 100 kg/m3 au centre de la Terre ^[4].

Plus récemment en 1995, un nouveau modèle sismologique ak135^[5] fixe le rayon de la graine à 1217.5 km en cohérence avec les résultats de la sismologue française Annie Souriau qui a étudié son ellipticité en analysant la réflexion des ondes à la surface de la graine^[6].

L'observation directe des ondes de cisaillement (S) dans la graine n'est pas évidente même si des tentatives ont été faites^[7] mais n'ont pas été confirmées. Aujourd'hui, les modes normaux sismologiques, modes propres de vibration de la Terre, restent le seul moyen d'observer directement la solidité de la graine.

La présence d'une sous-graine (innermost inner core en anglais) a été avancée par des chercheurs américains en 2002^[8], qui serait confirmée par une étude plus récente^[9]. Ces études s'appuient des variations de l'anisotropie sismique de la graine.

Composition

Il n'y a pas d'observation directe de la matière qui constitue la graine terrestre. L'étude des météorites a permis aux géochimistes de construire un modèle chimique de Terre qui par analyse chimique des météorites non différenciées d'une part et le manteau terrestre d'autre part a permis de déduire que le noyau terrestre est principalement constitué de fer. Comme la densité du matériel mesurée par les sismologues est grosso modo comparable à celle du fer dans les conditions de pression et de température du centre de la Terre, nous convenons que le noyau et la graine sont principalement constitué de fer.

Toutefois, l'excellente précision des mesures de densité du fer pur en laboratoire dans les conditions de pressions et de température du noyau terrestre montre que la densité du liquide du noyau liquide lui est légèrement inférieure (de l'ordre de 10%). Le liquide du noyau serait donc un alliage de fer et d'éléments plus léger tel que le silicium, l'oxygène, le soufre, le carbone^[10]. Des études comparables montrent que le solide de la graine est beaucoup plus proche du fer, ce qui permet d'affirmer que la graine est constitué d'un alliage plus concentré en fer^[11].

Enfin, les minéralogistes essaient de déterminer sous quelle forme cristallisent les cristaux de fer de la graine à l'aide d'expériences en laboratoire mais aussi par des calculs numériques^[12]. Deux arrangements cristallins sont aujourd'hui proposés: un réseau cristallin cubique (fer α cubique centré ou fer δ cubique à face centrée) et un réseau hexagonal compact, fer ε (cf structure cristalline).

Formation

Avec le refroidissement de la Terre, la graine s'est formée progressivement par solidification du fer du noyau liquide. La surface de la graine correspond donc à une surface de cristallisation, ce qui nous permet, connaissant la pression qui règne à ces profondeurs, d'évaluer la température de la surface de la graine. Pour ce faire, des minéralogistes ont comprimé des échantillons de fer à la pression de la graine et ont chauffé l'échantillon jusqu'à ce qu'il devienne liquide. Cela permet d'avancer que la température actuelle à la surface de la graine est de 5500 K mais les conditions extrêmes ne permettent pas aujourd'hui de connaitre cette température à plus de 500 K de précision. Notons toutefois que cette température est extrêmement élevée et correspond à la température observée à la surface du Soleil.

Les scénarios actuels de refroidissement de la Terre amènent les géophysiciens à penser que la graine a commencé à se former il y a 1,5 milliard d'années^[13] (avec une précision de +/- 1 milliard d'année), c'est-à-dire que l'âge de la graine serait le tiers de l'âge de la Terre.

Avec ce type de scénario, la graine grandit encore aujourd'hui et 10 000 tonnes de fer gèle chaque seconde à la surface de la graine. Au fur et à mesure du refroidissement de la Terre, la graine va occuper un espace de plus en plus grand du noyau liquide, réduisant ainsi le volume disponible pour fabriquer le champ magnétique par effet dynamo.

Notons toutefois que lors de l'accrétion de la graine, des éléments légers sont rejetés à la surface de la graine puisque la matériel de la graine est plus pur (dense) que celui du noyau liquide. Ce processus peut amener à la stratification de la graine^[12]. Les éléments légers rejetés ainsi s'élèvent dans le noyau liquide et leur mouvements pourraient participer au processus d'auto génération du champ magnétique.

Anisotropie sismique de la graine

En 1983, les sismologues français G. Poupinet et collaborateurs ont découvert que les ondes sismiques qui se propageaient parallèlement à l'axe géographique Nord-sud, traversaient la graine plus vite que les ondes sismiques voyageant parallèlement à l'équateur^[14]. C'est ce qui est appelé aujourd’hui, l’anisotropie sismique de la graine. Cette observation reste en partie inexpliquée encore aujourd'hui^[12]. Elle provient certainement de l’anisotropie cristalline microscopique du Fer, car les calculs minéralogiques ab initio ont montré que les vibrations mécaniques se propagent avec des vitesses différentes selon les directions respectives de propagation et des axes de symétrie du cristal. Cette anisotropie cristalline microscopique serait préservée à l'échelle globale de la graine terrestre.

Dynamique

En s'appuyant sur cette anisotropie et sa rotation apparente dans le temps, des chercheurs ont proposé que la graine tourne plus vite que la Terre (1 tour de plus tous les 3000 ans), phénomène connu sous le vocable de super rotation de la graine^[15]. Des études plus récentes^[16] ont montré que ces premières études avaient des biais et la super rotation si elle existe serait un million de fois plus petite^[17].

Le refroidissement de la graine pourrait engendrer des mouvements de convection thermique, mouvements verticaux comparables à ceux engendrés par la convection mantellique dans les matériaux solides silicatées du manteau terrestre. Dans le cas de la graine, cette convection pourrait prendre une forme particulière, dite de convection de translation, qui aboutirait à la fusion et à la cristallisation de part et d'autre de la graine^[18].

Voir aussi

Articles connexes

• Terre
• sismologie
• Noyau (planète)
• Dynamo terrestre
• Météorite

Notes et références

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