Si vous pouviez voyager dans le temps 41, 000 ans à la dernière période glaciaire, votre boussole indiquerait le sud au lieu du nord. C'est parce que pendant une période de quelques centaines d'années, le champ magnétique terrestre s'est inversé. Ces retournements se sont produits à plusieurs reprises au cours de l'histoire de la planète, parfois des centaines de milliers d'années. Nous le savons par la façon dont il affecte la formation de minéraux magnétiques, que nous pouvons maintenant étudier à la surface de la Terre.

Plusieurs idées existent pour expliquer pourquoi les inversions de champ magnétique se produisent. L'un d'eux est devenu plus plausible. Mes collègues et moi avons découvert que les régions situées au-dessus du noyau terrestre pouvaient se comporter comme des lampes à lave géantes, avec des gouttes de roche montant et descendant périodiquement au plus profond de notre planète. Cela pourrait affecter son champ magnétique et le faire basculer. Nous avons fait cette découverte en étudiant les signaux de certains des tremblements de terre les plus destructeurs au monde.

Vers 3, 000 km sous nos pieds - 270 fois plus bas que la partie la plus profonde de l'océan - est le début du noyau de la Terre, une sphère liquide composée principalement de fer et de nickel fondus. A cette limite entre le noyau et le manteau rocheux au-dessus, la température est presque 4, 000℃ degrés, semblable à celui à la surface d'une étoile, avec une pression plus de 1,3 m fois supérieure à celle de la surface de la Terre.

Du côté du manteau de cette limite, la roche solide s'écoule progressivement sur des millions d'années, entraînant la tectonique des plaques qui provoque le déplacement et le changement de forme des continents. Du côté du noyau, fluide, le fer magnétique tourbillonne vigoureusement, la création et le maintien du champ magnétique terrestre qui protège la planète du rayonnement de l'espace qui, autrement, enlèverait notre atmosphère.

Parce que c'est si loin sous terre, la principale façon d'étudier la frontière noyau-manteau est d'examiner les signaux sismiques générés par les tremblements de terre. En utilisant des informations sur la forme et la vitesse des ondes sismiques, nous pouvons déterminer à quoi ressemble la partie de la planète qu'ils ont traversée pour nous atteindre. Après un tremblement de terre particulièrement important, la planète entière vibre comme une cloche qui sonne, et mesurer ces oscillations à différents endroits peut nous dire comment la structure varie au sein de la planète.

De cette façon, nous savons qu'il existe deux grandes régions au sommet du noyau où les ondes sismiques se déplacent plus lentement que dans les zones environnantes. Chaque région est si vaste qu'elle serait 100 fois plus haute que le mont Everest s'il était à la surface de la planète. Ces régions, appelées grandes provinces à faible vitesse ou plus souvent simplement "blobs", ont un impact significatif sur la dynamique du manteau. Ils influencent également la façon dont le noyau se refroidit, ce qui modifie l'écoulement dans le noyau externe.

Plusieurs séismes particulièrement destructeurs au cours des dernières décennies nous ont permis de mesurer un type particulier d'oscillations sismiques qui se déplacent le long de la frontière noyau-manteau, connu sous le nom de modes Stoneley. Nos recherches les plus récentes sur ces modes montrent que les deux gouttes au-dessus du noyau ont une densité inférieure à celle du matériau environnant. Cela suggère que le matériau s'élève activement vers la surface, compatible avec d'autres observations géophysiques.

Nouvelle explication

Ces régions peuvent être moins denses simplement parce qu'elles sont plus chaudes. Mais une possibilité alternative intéressante est que la composition chimique de ces parties du manteau les amène à se comporter comme les taches d'une lampe à lave. Cela signifierait qu'ils se réchauffent et remontent périodiquement vers la surface, avant de refroidir et de retomber sur le noyau.

Un tel comportement modifierait la manière dont la chaleur est extraite de la surface du cœur sur des millions d'années. Et cela pourrait expliquer pourquoi le champ magnétique terrestre s'inverse parfois. Le fait que le champ ait changé tant de fois dans l'histoire de la Terre suggère que la structure interne que nous connaissons aujourd'hui peut également avoir changé.

Nous savons que le noyau est recouvert d'un paysage de montagnes et de vallées comme la surface de la Terre. En utilisant plus de données d'oscillations terrestres pour étudier cette topographie, nous pourrons produire des cartes plus détaillées du noyau qui nous permettront de mieux comprendre ce qui se passe sous nos pieds.