Formation du noyau de la Terre : l’énigme enfin résolue ?

Au début de l’histoire de la Terre, le fer, initialement réparti dans toute la Planète, aurait migré par percolation vers le noyau. Cette explication, ancienne, vient d’être confirmée par des simulations et l’étude d’une météorite particulière.

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Les géophysiciens allemands Emil Wiechert (1861-1928) et Beno Gutenberg (1889-1960) ont établi que la Terre est un corps différencié avec un cœur en fer. L’hypothèse est confortée par l’estimation de la densité et du moment d’inertie de notre Planète, qui pose des contraintes sur la composition de celle-ci. Le moment d’inertie, notamment, influence la rotation, plus précisément la vitesse ainsi que la position et l’orientation de l’axe de rotation.

La confirmation est venue de la sismologie au début du XXe siècle. En effet, les types d’ondes qui se propagent à l’intérieur de la Terre et leurs caractéristiques dépendent de la composition et de la structure minéralogique des matériaux qui s’y trouvent. Ces études ont conduit à la découverte du noyau et de la graine, constitués de fer et de nickel.

Mais comment cette différenciation planétaire s’est-elle mise en place ? Une hypothèse a été avancée depuis des décennies ; bien que très plausible, elle fait encore l’objet de travaux pour en établir solidement la validité.

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Ce schéma illustre la théorie proposée pour rendre compte de la formation du noyau métallique de la Terre (Core, en anglais sur le schéma), composé de fer et de nickel. Tout comme les noyaux métalliques des autres planètes rocheuses, il se serait formé parce que le métal fondu (Metallic Melt) piégé entre les grains de silicates (Silicate Crystal) aurait percolé, allant jusqu’au centre de la Planète au début de sa formation. © UT Austin

Une Terre formée par des chondrites à enstatite et qui fond partiellement

Le volcanisme est là pour nous rappeler que notre Planète est un astre chaud et que du magma se forme dans son manteau pas fusion partielle. L’étude des météorites nous laisse penser que la Terre est le produit de processus d’accrétion survenus à l’aube de la formation du Système solaire, à partir de petits corps célestes. Certains résidus de ces petits corps sont encore là, sous la forme de météorites qui tombent sur la Planète bleue.

Environ 80 % des météorites trouvées sur Terre sont des chondrites. Les autres sont des sidérites (elles sont constituées de fer presque pur avec du nickel) et des achondrites, lesquelles sont proches des roches plutoniques et volcaniques. La composition chimique moyenne des chondrites est remarquablement similaire à celle de l’atmosphère du Soleil, d’où l’hypothèse que ces météorites proviennent du même matériau à l’origine de notre Étoile.

Au début des années 1950, le grand chimiste Harold Urey a classé les chondrites en fonction de leur richesse en fer et, surtout, selon leur contenu en particules de fer ou en fer oxydé lié à des silicates, avec son élève Harmon Craig. Il s’est avéré qu’une classe particulière de chondrites, les chondrites à enstatite, était en mesure d’éclaircir le mystère de l’origine de la Terre et celui de sa structure différenciée, avec un noyau, un manteau et une croûte.

En effet, lorsque l’on retire d’une chondrite à enstatite les particules de fer natif qu’elle contient, le résidu est chimiquement très proche des péridotites, les roches qui constituent une large part du manteau de la Terre. Mieux : le rapport entre la proportion de fer dans une chondrite à enstatite et ce résidu silicaté est également proche du rapport entre la proportion de fer du noyau de notre Planète et son manteau silicaté.

Du fer qui percole comme du magma en direction du centre de la Terre

Grâce à toutes ces informations, un scénario a été proposé pour expliquer la formation du noyau de la Terre. Cette dernière se serait formée initialement à partir de petits corps rocheux très similaires aux chondrites à enstatite, mais, du fait de la chaleur due à la présence d’éléments radioactifs, ce matériau a commencé à fondre partiellement et à produire un alliage de fer et de nickel liquide, lequel aurait percolé entre des grains rocheux (comme l’eau à travers le café moulu) en chutant au centre de la Terre. L’énergie gravitationnelle libérée aurait elle-même contribué à élever la température interne de la Planète.

Mais ce processus de percolation était-il vraiment possible ? Et, même s’il l’était, pouvait-il bien assurer que la majorité du fer et du nickel contenus dans ce qui allait devenir le manteau de la Terre allait bien plonger au centre de notre Planète ? Autant de questions que se posent les géophysiciens du solide et les géochimistes. Ceux-ci tentent d’y répondre en utilisant des expériences à hautes pressions et températures à l’aide de cellules à enclume de diamant, ou en utilisant des simulations numériques sur ordinateurs quand les conditions physiques sont trop extrêmes pour être réalisées en laboratoire.

Il y a du nouveau à cet égard, comme l’expliquent des chercheurs de l’université du Texas, à Austin, dans un article publié dans Pnas. Ceux-ci ont conduit une nouvelle simulation numérique concernant la formation d’un réseau connectant les poches de liquide entre les grains composant une roche. La force principale de cette simulation est qu’elle est plus réaliste et contient des grains de différentes tailles (voir image ci-dessus). De plus, la géométrie du réseau est inspirée par des données issues d’un échantillon polycristallin de titane (un matériau solide constitué d’une multitude de petits cristaux appelés « cristallites », de tailles et d’orientations variées, par opposition à un matériau monocristallin, constitué d’un unique cristal). Ces données ont été déduites de mesures réalisées par microtopographie par rayons X.

Alors que les précédentes simulations étaient sensibles à la fraction de matériaux fondus dans une roche, ce qui conduisait la percolation à s’arrêter, la nouvelle simulation ne montre pas ce phénomène. Une fois la percolation amorcée, elle ne s’arrête que lorsqu’il ne reste plus que 1 à 2 % de fer dans les roches de ce qui va devenir le manteau de la Terre, en parfait accord avec les modèles de la composition de ce manteau.

Mieux : le réseau assurant la percolation quasi complète du fer ressemble beaucoup à celui conservé dans une achondrite, NWA 2993. Celle-ci doit donc être le fragment d’un manteau en cours de formation dans un planétésimal de suffisamment grande taille et qui aurait été détruit par une collision avant que le processus de différenciation n’arrive à son terme. La théorie de la formation du noyau de la Terre par percolation en sort donc renforcée.

Source : futura-sciences.com