Le champ magnétique terrestre protège et rend notre planète habitable en arrêtant les particules nocives à haute énergie de l'espace, y compris du Soleil. La source de ce champ magnétique est le noyau au centre de notre planète.

Mais le noyau est très difficile à étudier, en partie parce qu'il commence à une profondeur d'environ 2, 900 kilomètres, le rendant trop profond pour échantillonner et enquêter directement.

Pourtant, nous faisons partie d'une équipe de recherche qui a trouvé un moyen d'obtenir des informations sur le noyau de la Terre, avec des détails publiés récemment dans Geochemical Perspective Letters.

Il fait chaud là-bas

Le noyau est la partie la plus chaude de notre planète avec le noyau externe atteignant des températures de plus de 5, 000℃. Cela doit affecter le manteau sus-jacent et on estime que 50% de la chaleur volcanique provient du noyau.

L'activité volcanique est le principal mécanisme de refroidissement de la planète. Volcanisme certain, comme celle qui forme encore les îles volcaniques d'Hawaï et d'Islande, pourrait être lié au noyau par des panaches du manteau qui transfèrent la chaleur du noyau à la surface de la Terre.

Pourtant, la question de savoir s'il y a un échange de matériel physique entre le noyau et le manteau est un sujet de débat depuis des décennies.

Nos résultats suggèrent que certains matériaux de base se transfèrent à la base de ces panaches du manteau, et le noyau laisse échapper ce matériau depuis 2,5 milliards d'années.

Nous avons découvert cela en examinant de très petites variations dans le rapport des isotopes de l'élément tungstène (les isotopes sont essentiellement des versions du même élément qui contiennent simplement un nombre différent de neutrons).

Pour étudier le noyau de la Terre, nous devons rechercher des traceurs chimiques du matériau du noyau dans les roches volcaniques dérivées du manteau profond.

Nous savons que le noyau a une chimie très distincte, dominé par le fer et le nickel ainsi que des éléments tels que le tungstène, platine et or qui se dissolvent dans l'alliage fer-nickel. Par conséquent, les éléments aimant les alliages métalliques sont un bon choix pour rechercher des traces du noyau.

La recherche des isotopes du tungstène

Le tungstène (symbole chimique W) comme élément de base a 74 protons. Le tungstène a plusieurs isotopes, comprenant ¹⁸² W (avec 108 neutrons) et ¹⁸⁴ W (avec 110 neutrons).

Ces isotopes du tungstène ont le potentiel d'être les traceurs les plus concluants du matériau de base, parce que le manteau devrait avoir beaucoup plus ¹⁸² Avec/ ¹⁸⁴ Rapports W que le noyau.

C'est à cause d'un autre élément, Hafnium (Hf), qui ne se dissout pas dans l'alliage fer-nickel et s'enrichit dans le manteau, et avait un isotope maintenant éteint ( ¹⁸² Hf) qui s'est décomposé en ¹⁸² W. Cela donne le manteau supplémentaire ¹⁸² W par rapport au tungstène dans le noyau.

Mais l'analyse requise pour détecter les variations des isotopes du tungstène est incroyablement difficile, alors que nous examinons les variations de la ¹⁸² Avec/ ¹⁸⁴ Le rapport W en parties par million et la concentration de tungstène dans les roches est aussi faible que des dizaines de parties par milliard. Moins de cinq laboratoires dans le monde peuvent faire ce type d'analyse.

Preuve d'une fuite

Notre étude montre un changement substantiel de la ¹⁸² Avec/ ¹⁸⁴ Rapport W du manteau sur la durée de vie de la Terre. Les roches les plus anciennes de la Terre ont nettement plus ¹⁸² Avec/ ¹⁸⁴ W que la plupart des roches de la Terre moderne.

Le changement dans le ¹⁸² Avec/ ¹⁸⁴ Le rapport W du manteau indique que le tungstène du noyau fuit dans le manteau depuis longtemps.

De façon intéressante, dans les plus anciennes roches volcaniques de la Terre, sur une période de 1,8 milliard d'années, il n'y a pas de changement significatif dans les isotopes du tungstène du manteau. Cela indique que d'il y a 4,3 milliards à 2,7 milliards d'années, peu ou pas de matière du noyau a été transférée dans le manteau supérieur.

Mais dans les 2,5 milliards d'années qui ont suivi, la composition isotopique du tungstène du manteau a considérablement changé. On en déduit qu'un changement dans la tectonique des plaques, vers la fin de l'éon archéen, il y a environ 2,6 milliards d'années, des courants convectifs suffisamment importants dans le manteau ont été déclenchés pour modifier les isotopes du tungstène de toutes les roches modernes.

Pourquoi la fuite ?

Si les panaches du manteau montent de la limite noyau-manteau vers la surface, il s'ensuit que la matière de la surface de la Terre doit également descendre dans le manteau profond.

Subduction, le terme utilisé pour les roches de la surface de la Terre descendant dans le manteau, transporte des matériaux riches en oxygène de la surface dans le manteau profond en tant que composante intégrale de la tectonique des plaques.

Les expériences montrent que l'augmentation de la concentration d'oxygène à la limite noyau-manteau pourrait provoquer la séparation du tungstène hors du noyau et dans le manteau.

Alternativement, la solidification du noyau interne augmenterait également la concentration en oxygène du noyau externe. Dans ce cas, nos nouveaux résultats pourraient nous renseigner sur l'évolution du cœur, y compris l'origine du champ magnétique terrestre.

Le noyau de la Terre a commencé comme un métal entièrement liquide et s'est refroidi et partiellement solidifié au fil du temps. Le champ magnétique est généré par le spin du noyau solide interne. Le temps de la cristallisation du noyau interne est l'une des questions les plus difficiles à répondre en sciences de la Terre et des planètes.

Notre étude nous donne un traceur qui peut être utilisé pour étudier l'interaction noyau-manteau et le changement de la dynamique interne de notre planète, et qui peut améliorer notre compréhension de comment et quand le champ magnétique a été activé.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.