À plus de 5 000 km sous la surface de notre planète, dans le noyau interne, des chercheurs ont détecté une anomalie. On ne parle pas ici d’une faille, ou d’une cassure géologique, mais d’une couche enfouie dans le noyau, différente du reste, peut-être formée dans des conditions thermiques différentes. L’hypothèse n’est pas neuve, mais elle vient de gagner en solidité grâce à une nouvelle analyse, menée par Joanne Stephenson et son équipe à l’Australian National University.
À l’intérieur de l’intérieur
Depuis le début du XXᵉ siècle, le modèle de la structure interne de la Terre est divisé en quatre grandes strates. La croûte (fine couche rocheuse en surface), le manteau (zone solide mais ductile où les roches circulent lentement), le noyau externe (océan métallique de fer et de nickel en fusion) et, enfin, le noyau interne (sphère solide formée essentiellement de fer). Ce dernier, malgré des températures dépassant 5 000 °C, demeure rigide en raison de la pression extrême qui y règne.
Une stratification bien établie, que les travaux de Stephenson, géophysicienne (publiés en 2020 dans JGR Solid Earth), invitent cependant à reconsidérer. En analysant la propagation des ondes sismiques (vibrations générées par les séismes, qui traversent l’intérieur du globe) collectées sur plusieurs décennies par le Centre Sismologique International, son équipe a découvert une anisotropie (variation de vitesse selon la direction) du noyau interne plus complexe que ce que les données nous indiquaient jusqu’à maintenant.
« Nous avons trouvé des indices pouvant indiquer un changement dans la structure du fer, ce qui suggère peut-être deux événements distincts de refroidissement dans l’histoire de la Terre », indique Stephenson. En d’autres termes, l’analyse fine du comportement des ondes sismiques laisse penser que le noyau interne n’est pas entièrement homogène. À un certain angle, les ondes se déplacent plus lentement que prévu, ce qui laisse supposer une modification dans l’organisation du fer à cette profondeur.
Cette variation pourrait s’expliquer si le noyau interne ne s’était pas formé en une seule fois, mais en deux temps. Une hypothèse qui postule deux phases de solidification successives, chacune ayant laissé son empreinte dans l’organisation du noyau.
Deux histoires, un seul noyau
L’idée selon laquelle le noyau interne pourrait contenir, en son centre, une autre région n’est pas apparue avec cette étude. Des indices préliminaires, notamment des variations d’alignement dans les cristaux de fer, avaient déjà conduit certains chercheurs à envisager l’existence d’une structure enfouie plus profondément encore. Ce que l’équipe de Stephenson a apporté aujourd’hui dans sa contribution, est une mise à l’épreuve de cette idée par le traitement d’une très grande quantité de données grâce à l’IA.
C’est à l’aide d’un algorithme conçu pour confronter des milliers de modèles théoriques aux relevés sismiques compilés sur plusieurs décennies, que les chercheurs ont mis en évidence le décalage dont il est question en première partie. Ce décalage ne dépend pas de la profondeur comme expliqué, mais de l’angle sous lequel les ondes pénètrent la matière : à environ 54° par rapport à l’axe de rotation de la Terre, la propagation ralentit.
Les modèles classiques décrivant le noyau interne supposent que les cristaux de fer s’alignent de manière uniforme sur l’ensemble du volume, souvent le long de l’axe de rotation de la Terre. Dans ce cadre conceptuel, les ondes sismiques se propagent plus rapidement dans certaines directions (typiquement, parallèlement à l’axe) et plus lentement dans d’autres : l’anisotropie est continue et symétrique. Or, les résultats de l’étude de Stephenson ne correspondent pas avec les grandes lignes de ce modèle.
La possibilité la plus vraisemblable, avancée avec par l’équipe, serait que cette inflexion corresponde à une transition dans l’organisation microscopique du fer. Autrement dit, que le noyau interne conserve la trace de deux épisodes thermiques différents. Une première phase aurait amorcé la solidification, une seconde l’aurait prolongée selon des conditions autres, laissant dans la matière une orientation cristalline qui n’est pas uniforme dans tout le volume.
Attention : ce ne sont pas deux couches visibles, mais deux temps géologiques superposés, perceptibles uniquement à travers la manière dont la matière réagit aux vibrations qui la traversent. Comme si le noyau de notre planète avait deux régimes anisotropes, et donc deux histoires thermiques structurales superposées.
Comme toute étude, ses auteurs lui reconnaissent toutefois certaines limites : « Nous sommes limités par la distribution des séismes mondiaux et des récepteurs, en particulier aux antipodes polaires », précisent-ils. En d’autres termes, l’absence de séismes suffisants dans certaines régions de la planète empêche d’avoir une couverture homogène des observations. Cela introduit une incertitude, mais les résultats obtenus convergent tout de même avec d’autres recherches menées sur l’anisotropie du noyau interne.
« Les détails de cet événement majeur restent en partie mystérieux, mais nous avons ajouté une pièce de plus au puzzle de notre compréhension du noyau interne de la Terre », explique Stephenson. Cette pièce, comme l’explique joliment la chercheuse, s’insère dans un ensemble encore lacunaire ; il faudra d’autres données, d’autres séismes et d’autres modélisations pour percer l’intimité de cette singularité. Mais celle-ci nous oblige au moins à concevoir le noyau non pas comme un bloc uniforme, mais comme une structure composée de strates thermiques.
- Une étude sismique suggère l’existence d’une région distincte au sein du noyau interne, révélée par une variation directionnelle dans la propagation des ondes.
- Cette différence pourrait provenir de deux épisodes de refroidissement successifs, ayant laissé des traces dans l’agencement microscopique du fer.
- Bien que les données restent incomplètes, ces résultats renforcent l’idée d’une structure interne plus hétérogène que ce que les modèles standards laissaient entendre.
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