Voyage au centre de la Terre 1/2

Voyage au centre de la Terre

Mais que cache le centre de la Terre ?

C’est l’ultime « terra incognita » : à 6350 km sous nos pieds, le cœur de notre planète garde jalousement son secret, faute qu’on puisse y aller voir de près. Du coup, les hypothèses rivalisent : s’agit-il d’une dynamo ? D’un réacteur ? D’autre chose ? Pour le savoir, les scientifiques montent d’incroyables explorations… directement dans leurs labos ! Embarquement immédiat pour la plus obscure des destinations, là où se joue aussi l’avenir du vivant…

 

L’homme a beau allé sur Mars, il ne sait toujours pas ce que cache le centre de la Terre ! Du coup, les hypothèses rivalisent. Dynamo ? Réacteur nucléaire ?... Une récente découverte vient de relancer le débat. Enquête à 6350 km de profondeur.

Le 3 juillet 2004, des dizaines de scientifiques venus du monde entier ont fait route vers Garmish-Partenkirchen, la célèbre station de ski bavaroise. Paradoxalement, ils se sont donné rendez-vous dans ce lieu fréquenté et haut perché pour s’entretenir du plus mystérieux et du plus profond endroit du globe terrestre : le centre de la Terre, cette région située à 6350 km sous nos pieds et que personne n’a jamais visitée. Ce symposium SEDI, pour Study of the Earth’s Deep Interior, vise à voir plus clair dans les entrailles du globe. Les travaux de Jeffrey Nguyen et Neil Holmes publiés en avril 2004 y seront abondamment commenté, les géochimistes californiens ayant annoncé que le cœur de notre planète serait fait d’une seule sorte de cristal de fer qu’ils ne sont pas parvenus à identifier. En effet, à ce jour, on en sait beaucoup moins sur cette partie du monde que sur la surface du Soleil ! Un astre situé pourtant 25.000 fois plus loin de nous…

Une certitude, cependant : contrairement à une idée bien ancrée dans l’imaginaire populaire, ce cœur n’est en rien une énorme boule de feu. Une confusion entretenue par les coulées de lave venues des profondeurs et qui s’épanchent de la bouche des volcans. Or, la matière minérale en fusion provient de chambres « magnétiques » situées seulement à quelques kilomètres de la surface ! En fait, selon la théorie dominante avancée dès 1936 par la sismologue danoise Inge Lehmann et présenté à tort comme une certitude par les manuels, le centre de la Terre est un gigantesque cœur de 2400 km de diamètre, composé de fer solide et d’éléments à l’état de traces (nickel, soufre, oxygène…). Une sphère à peine plus grosse que la Lune !

Un noyau dans une mer de fer

Selon ladite théorie, cette « graine » ou « noyau interne » baigne dans un immense océan de fer en fusion, le « noyau externe », et siège à 5100 km de profondeur, sous la « croûte », la couche géologique terrestre la plus superficielle, et sous le « manteau ». La pression qui y règne de 360 gigapascals (GPa), équivaut à plus de 3.600.000 fois celle mesurée en surface. Et la température atteint 6000° C, l’équivalent de la température à la surface du Soleil ! Aucune de ces données n’a été récoltée sur place : il s’agit d’estimations obtenues par des méthodes de sondage indirectes. Quant au précieux champ magnétique terrestre engendré par le noyau, cette force qui nous préserve des vents solaires, dirige les boussoles et guide les oiseaux migrateurs, il fait l’objet de bien des discussions.

Une boule d’uranium ?

« En fait, le champ magnétique est bien décrit depuis plus de quatre siècles : les mesures directes à la surface du globe ont montré que cette force ressemble au champ d’un aimant dipolaire situé au centre de la Terre et incliné approximativement de 11° par rapport à l’axe de rotation de la planète, explique Philippe Cardin, du laboratoire de géophysique interne et tectonophysique, à Grenoble. Reste qu’en réalité aucune étude scientifique ne corrobore l’existence d’un aimant permanent au centre de la Terre. Aussi, l’origine de ce champ dipolaire est-elle encore très mal comprise ». Et pour tenter de percer ce mystère, plusieurs hypothèses rivalisent avec la thèse précédente du noyau de fer solide, qui recueille les faveurs de la majorité des chercheurs. Selon cette théorie, le champ magnétique serait généré par d’énormes tourbillons au sein du liquide entourant la graine, transformant celle-ci en dynamo. Oui, mais tout s’obscurcit lorsqu’il s’agit de comprendre la cause des changements de direction du champ magnétique terrestre. Car dans le passé, le nord magnétique correspondait tantôt au pôle Sud géographique, comme il y a 780 000 ans, tantôt au pôle Nord, comme aujourd’hui. D’après les partisans de la thèse du cœur de fer, ces inversions seraient dues à une instabilité de la géométrie des tourbillons dans le noyau externe. Une explication qui ne fédère pas tous les avis…

 

Ainsi Richard Muller, physicien à l’université de Californie avance une hypothèse surprenante : « La plupart des inversions du champ magnétique sont dues à des avalanches spontanées se produisant à la limite du noyau externe et du manteau : se tassant à cette frontière, les sédiments retombent dans le noyau et perturbent les tourbillons à l’origine du champ magnétique ». Une thèse controversée : « Certes, la limite noyau-manteau étant aussi accidentée que les fonds marins, des éboulements similaires à ceux observés dans les océans peuvent s’y produire, commente Stéphane Labrosse, de l’Institut de physique du globe, à Paris, partisan des tourbillons au sein du noyau de fer. Toutefois, aucune coulée, même importante, ne peut modifier la circulation globale de l’eau. Pourquoi donc imaginer qu’une même cause aurait des effets plus importants dans le noyau, au point d’inverser le champ magnétique ? » Réponse de Richard Muller : un choc puissant comme la collision de la Terre avec des astéroïdes pourrait déclencher des avalanches nettement plus conséquentes qu’un éboulement marin. Ce qui est jugé spéculatif par les partisans de la thèse du noyau de fer. Reste que le physicien ne va pas jusqu’à affirmer qu’une structure autre que la boule de fer solide se cache au centre de la Terre. Le géophysicien américain Marvin Herndon si !

Il postule en effet que la graine, en son centre, ne renferme pas du fer mais une énorme boule d’uranium radioactif (uranium 235 et 238) de 8 km de diamètre, siège de réactions de fissions en chaîne. Le centre de la Terre ne serait donc pas une dynamo mais un énorme réacteur nucléaire naturel : un « géoréacteur ». Lequel  fournirait une énergie distincte de celle émise par la radioactivité naturelle produite par trois éléments dans la croûte terrestre : le thorium 232, l’uranium 235 et l’uranium 238. Cette thèse repose sur l’observation d’un rapport 3He/4He (deux formes d’hélium, un gaz rare) anormalement élevé dans des roches volcaniques d’Hawaï, l’élément 3He étant un sous-produit de fission nucléaire. Elle explique à sa manière les inversions magnétiques.

Autre candidat : le potassium

« Pour des raisons qui nous échappent encore, le géoréacteur s’assoupirait avant de redoubler d’intensité, entraînant les inversions du champ magnétique lors de ses reprises d’activité », précise Marvin Herndon. L’idée est séduisante. Sauf que l’existence d’un géoréacteur est vivement critiquée par la communauté scientifique qui, dans son ensemble, soutient la thèse dominante d’un noyau de fer se comportant comme une dynamo. D’autant que cette dernière explique le rapport élevé de 3He/4He dans les basaltes hawaïens par une persistance de l’hélium produit lors de la formation de la Terre. Les travaux de Marvin Herndon ont néanmoins attiré l’attention de chercheurs, néerlandais du Kernfysich Versneller Instituut, un institut de physique nucléaire rattaché à l’université de Groningen. En effet, dans un récent article intitulé « Quest for a nuclear georeactor » (« A la recherche d’un géoréacteur nucléaire »), Robert de Meijer et ses collègues proposent de construire un laboratoire souterrain afin de savoir si nous sommes réellement assis sur un géoréacteur, tandis que les partisans des autres hypothèses ne sont pas en reste et montent leurs propres expériences pour les valider : « L’idée est de développer un détecteur des particules produites lors de la désintégration de l’uranium radioactif : les antineutrinos, précise Robert de Meijer. Un système plus sensible que ceux existant à ce jour, comme celui de Kam-Land, au Japon. On pense le construire sur l’île Curaçao, au large du Venezuela, là où la croûte du globe est mince et loin de toute industrie, afin d’éviter les interférences entre les particules venant du centre de la Terre et celles produites par la croûte terrestre et les centrales nucléaires. »

La thèse d’un géoréacteur se rapproche d’une autre théorie, moins extrême, qui elle aussi avance la présence de radioactivité dans le noyau. Attention, il n’est pas question ici d’uranium et de réacteur nucléaire, mais d’un élément moins lourd, qui serait dispersé dans tout le noyau et non concentré en son centre : le potassium 40, noté 40K. A la jonction de la théorie de la géodynamo et de celle du géoréacteur, cette troisième thèse fait du centre de notre planète un noyau de fer et de 40K. Explicitée pour la première fois dans les années 70, notamment par la planétologue américain Mark Bukowinski, cette hypothèse est née d’une question troublante. Si c’est l’énergie générée par le refroidissement de la graine qui alimente le champ magnétique, sachant que celui-ci existe depuis 3,2 milliards d’années et que la graine n’est âgée que d’un ou de deux milliards, d’où provenait l’énergie faisant « tourner » le champ avant la formation de la graine ?

Un cœur de fer radioactif : la thèse de la réconciliation ?

Réponse des partisans de la théorie du potassium radioactif : du 40K, dont la radioactivité est source d’énergie… Sitôt formulée, cette théorie a fait l’unanimité contre elle. Pour une raison simple : le potassium 40 ne peut avoir coulé au centre de la Terre lors de la formation de cette dernière il y a 4,6 milliards d’années. Il faut savoir, en effet, que selon l’hypothèse dominante expliquant la naissance de notre planète (là encore on en est réduit à des hypothèses), la Terre s’est formée dans le jeune système solaire par accrétion de météorites de plusieurs centaines de kilomètres de diamètre. Elle a ensuite fondu partiellement, principalement sous l’effet de la chaleur libérée par les chocs entre la planète et les météorites. Conséquence : à cause de la gravité, les métaux lourds, comme le fer, ont migré vers le centre en quelques dizaines de millions d’années, formant ainsi le noyau terrestre. Tandis que les éléments plus légers, comme les silicates montaient vers la surface pour former le manteau. D’après cette théorie, en coulant vers le centre de la Terre, le fer n’a pu entraîner avec lui le 40K, un composé qui ne se combine pas avec lui. Or, surprise, en décembre 2003, les Américains Kanani Lee et Raymond Jeanloz, géophysiciens de l’université de Berkeley de Californie, ont réussi à créer un alliage de fer et de 40K. Cette prouesse fut réalisée en portant un échantillon de fer et de potassium purs à hautes pressions (26 gigapascals, soit 250.000 fois la pression en surface) et température (dépassant les 2230° C). Une première internationale assurée de faire date dans les annales de géophysique.

Car du coup, cet assemblage jamais obtenu jusque-là montre que le 40K a bel et bien pu gagner le centre de la Terre, à ses origines. « En considérant nos données, et en comparant les quantités de 40K présentes dans la croûte et le manteau actuellement et lors de la formation de la Terre, on peut dire que le noyau contient près de 0,1 % de 40K, triomphe Kanani Lee. Cette quantité paraît ridicule, mais elle peut suffire à fournir 25 % de la chaleur dissipée par la Terre, car un peu de 40K dégage beaucoup d’énergie ! ». « L’obtention d’un alliage de fer et de potassium est un résultat très important, commente Guillaume Fiquet, chercheur du laboratoire minéralogie-cristallographie de Paris. Mais pour valider la thèse du 40K, il faudra montrer que cet élément se lie avec le fer en présence de silicates comme c’était le cas lors de la formation de la Terre. Ce qui n’a pas été pris en compte ici. »

Quoi qu’il en soit, l’avancée réalisée par les deux chercheurs de Berkeley brouille encore davantage les pistes menant à la vraie nature du centre terrestre. Dynamo en fer ? Géoréacteur ? Cœur de fer couplé à de la radioactivité ? Ou, qui sait, autre chose ? A ce jour, rien ne permet de trancher. Mais les scientifiques travaillent d’arrache-pied pour extirper son secret à notre planète. Un peu partout dans le monde, des équipes mettent au point des outils d’étude plus précis, plus élaborés, plus fiables, afin de sonder les entrailles de la Terre. « En progressant à tâtons, nous avons atteint un degré de raffinement sans précédent dans notre réflexion, nos concepts et nos outils d’étude du noyau terrestre », explique Denis Andrault du laboratoire des géomatériaux. De quoi espérer en savoir plus sur le champ magnétique. Mais aussi répondre à une multitude d’autres questions relatives au centre de la Terre, toutes aussi importantes et nées des derniers résultats de la géophysique et de la géochimie. Ce qui n’est pas pour demain : le chemin est encore long pour les chercheurs rassemblés à Garnisch-Partenkirchen afin de déterminer ce qui se cache et se trame aux tréfonds de notre planète.

Chronologie

1914

Découverte du noyau de la Terre par le sismologue germano-américain Beno Gutenberg.

1936

En étudiant la propagation des ondes générées par les séismes à l’intérieur de la Terre, la sismologue danoise Inge Lehmann détecte la présence d’une « graine » de fer solide au centre de la planète.

2003

Le géophysicien américain Marvin Herndon postule la présence d’un géoréacteur dans le cœur de la Terre.

Décembre 2003

D’autres géophysiciens américains, Kanani Lee et Raymond JeanLoz, obtiennent en laboratoire un alliage de fer et de potassium radioactif plaidant pour la présence de radioactivité au centre de la Terre.

La thèse de la dynamo

Selon la thèse dominante, la Terre est formée d’une croûte, d’un manteau et d’un noyau. Ce dernier est une « graine » de fer nichée dans un océan de fer en fusion. Dans celui-ci, des courants de convection produisent le champ magnétique. A l’origine, le champ est dipolaire, puis ses pôles se confondent, avant d’échanger leur place. Selon la thèse de la dynamo, ceci serait dû à une instabilité de la géométrie des tourbillons dans le noyau externe. Une explication contestée.

                    

Jargon

Aimant dipolaire : aimant de la forme d’un cylindre ou d’un barreau présentant des pôles nord et sud à ses extrémités.

Cristal : solide formé d’atomes, d’ions ou de molécules, arrangés selon un patron géométrique régulier et répétitif.

Fission : réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau atomique lourd se scinde en deux noyaux de masses inférieures et ceci en produisant de l’énergie, un rayonnement gamma et des neutrons/

Silicate : minéral constitué de silice et d’oxygène et formant 95 % de la couche la plus superficielle de la planète, la croûte terrestre.

Le centre tourne-t-il plus vite que la surface ?

En 1996, Xiaodong Song, de l’université de l’Illinois, faisait sensation en annonçant que le centre de la Terre tourne plus vite que sa surface. En analysant les ondes des séismes, il avait en effet calculé que le noyau terrestre tourne avec une vitesse de 1,1° de plus par an, au point d’accomplir, tous les 400 ans, un tour de plus que la Terre ! « Ces résultats s’expliquent par le fait que la graine est nichée dans un environnement liquide de faible viscosité lui permettant de se désolidariser du reste de la planète, explique Raphaël Garcia, de l’Institut de physique du globe de Paris. Cependant, de nouveaux travaux ont remis en cause la différence de rotation du noyau, et d’autres publiés récemment, l’estiment insignifiante (0,2° par an). « La question reste donc, à ce jour en suspens. Or, une réponse n’est possible que si l’on comprend pourquoi les ondes sismiques se comportent si bizarrement au centre de la Terre : les enregistrements des stations sismiques ont montré que ces ondes cheminent plus rapidement le long de l’axe nord-sud que dans le plan équatorial. Plus de quinze ans après sa mise en évidence par l’américain Adam Dziewonski, de l’université d’Harvard, cet étrange phénomène, appelé « anisotropie », intrigue encore les chercheurs. « Il est peut-être lié à une orientation préférentielle des cristaux de fer dans le noyau, qui seraient tous alignés sur l’axe nord-sud. La vitesse des ondes traversant le centre de la Terre dépendrait donc de cette orientation. Mais ceci reste à démontrer ». Ce qui n’est pas gagné, la structure cristalline du fer restant elle aussi un mystère.

Une multitude de mystères persistent

L’hypothèse communément admise est la suivante : soumis à des pressions et à des températures extrêmes, le fer lové au cœur de notre planète adopterait, à l’image du diamant, une structure en cristal. Mais quelle forme prend-il ? Trois structures cristallines sont théoriquement possibles : « la cubique centrée », « l’hexagonale compacte », et une forme intermédiaire. Or, si en avril 2004, les Californiens Jeffrey Nguyen et Neil Holmes ont annoncé qu’il existait qu’une seule sorte de cristal au sein du noyau, ils ne sont pas parvenus à identifier la nature précise de celle-ci.

Par ailleurs, un autre mystère demeure non résolu : la quantité d’énergie disponible sous nos pieds. Une information capitale puisque de l’énergie stockée dans le noyau lors de la formation de la Terre dépend le maintien du champ magnétique terrestre. « Pour le savoir, on doit au préalable définir la température de cristallisation (solidification) du fer du noyau sous haute pression », explique Stéphane Labrosse, géophysicien à Paris. Mais cette nécessité se heurte à un problème de taille puisque cette fameuse température n’est toujours pas connue ! Et les chercheurs n’ont aucune chance de l’évaluer sans posséder la composition exacte du noyau en éléments légers, comme l’oxygène ou le souffre. Or, cette composition reste, elle aussi, mystérieuse…

A l’assaut du centre de la Terre

Inaccessible, les entrailles de notre planète ? Plus maintenant ! Car pour explorer les profondeurs, les scientifiques ont mis au point des ruses technologiques. Embarquement immédiat.

 

Jules Verne eut beau imaginer une expédition parvenant après moult péripéties jusqu’au centre de la Terre, la réalité est moins romanesque : le cœur de notre planète demeure inaccessible à l’observation directe. Inutile de creuser une vertigineuse cheminée : avec ses 12 kilomètres, le forage le plus profond, situé sur la presqu’île russe de Kola, ne fait qu’écorcher la pellicule superficielle du globe ; et même s’il était possible de plonger jusqu’à son centre, à 6350 km de profondeur, comme l’a récemment proposé le géophysicien néo-zélandais David Stevenson, nous ne pourrions résister aux températures et pressions colossales qui y règnent : quelque 6000° C et 360 gigapascals ! Inaccessible donc, mais pas tout à fait impénétrable. Car il est aujourd’hui possible de voyager au centre de la Terre… de façon virtuelle !

Première à entreprendre le voyage, la sismologie a permis de sonder les profondeurs. De fait, les ondes émises lors des séismes se propagent dans toutes les directions et parviennent à la surface après avoir traversé des milieux aux propriétés physiques et chimiques variées. Elles sont parfois réfléchies ou réfractées aux interfaces de ces milieux. Autant de déviations qui rallongent leur périple. C’est en analysant les dizaines de milliers de temps parcours des ondes captées par les sismographes du monde entier qu’on a pu identifier les grandes structures de la Terre, en particulier le noyau externe liquide et la graine centrale solide. Et déterminer leur composition chimique.

Des voyages par procuration

Au début des années 50, le géophysicien américain Francis Birch a en effet découvert que la vitesse de ces ondes dépend de la densité du milieu traversé. Et donc que tout changement de vitesse peut s’interpréter au niveau chimique. Il en a déduit que le noyau externe et la graine étaient surtout constitués de fer, confirmant une hypothèse datant de 1936 et qui est aujourd’hui encore la théorie dominante. Depuis vingt ans, la cartographie des anomalies locales de vitesse des ondes (ou « tomographie sismique ») ainsi que l’identification d’anomalies de densité, c’est-à-dire d’hétérogénéités de matière, ont permis de visualiser des détails plus intimes encore. Lors d’un de ces grands voyages… par procuration, les sismologues ont ainsi constaté que les ondes sismiques qui traversent le centre de la Terre filent plus vite sur un axe nord-sud. L’anomalie, en apparence anodine, pourrait trahir un des secrets les mieux conservés du noyau : l’orientation préférentielle de ses cristaux.

Mais il existe d’autres moyens de déambuler dans les profondeurs de la Terre sans quitter son laboratoire. Les géophysiciens ont ainsi eu l’idée de soumettre la matière aux conditions de pression et de température énormes qui règnent dans le noyau et la graine. Une entreprise rendue possible, notamment, par la cellule à enclumes de diamant. Un nom assez explicite pour désigner un instrument qui révèle in situ le comportement de minéraux artificiellement descendus dans les profondeurs terrestres. Comprimé entre deux diamants et chauffé par un faisceau laser ou un four résistif, l’échantillon étudié est exposé aux conditions existant au centre de la Terre. Il dévoile alors les propriétés qui seraient les siennes : structures cristallographiques et électronique, élasticité, vitesse de déplacement d’ondes, diffraction de rayons X… Un dispositif qui permet de tester les minéraux candidats à la composition des couches profondes.

                        

Les mouvements de nutation du globe, c’est-à-dire les petites oscillations de son axe de rotation au cours du temps, mais aussi les variations de l’accélération de la pesanteur ou du champ magnétique terrestre sont d’autres moyens de plonger dans les tréfonds de notre planète. Tous ces phénomènes livrent, en effet, un lot d’informations sur la dynamique de la Terre profonde et, notamment, sur les mouvements de convection qui brassent l’océan de fer liquide entourant la graine. Par exemple, les mesures réalisées en surface dans des observatoires depuis plus de quatre siècles, ou depuis des satellites comme l’appareil danois Oersted, l’attestent : le champ magnétique se déplace lentement à l’échelle de quelques décennies, voire de quelques siècles. Cette intrigante observation pourrait impliquer que le maelström en fusion est agité de mouvements rapides, de l’ordre de 1 à 10 kilomètres par an (contre seulement quelques centimètres par an au-dessus, dans le manteau terrestre). Encore une piste à suivre…

Enfin, théoriciens et expérimentateurs ne sont pas les explorateurs les moins intrépides lorsqu’ils modélisent et simulent la géométrie des cellules de convection, construisent des « géodynamos » théoriques susceptibles de produire un champ magnétique ou conçoivent des expériences toujours plus complexes et spectaculaires. Car l’homme ne manque finalement pas de ressources pour explorer malgré tout cette ultime terra incognita qui lui résiste. Embarquement immédiat pour trois de ces voyages virtuels qui n’ont rien à envier à celui que l’imagination féconde de Jules Verne inventa il y a plus d’un siècle…

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