Une approche théorique de la physique minérale basée sur les méthodes ab initio a été adoptée pour déterminer la viscosité des fer compact aux pressions et températures extrêmes correspondant au noyau interne de la Terre. Les résultats s'avèrent démentir les observations géophysiques de grandes fluctuations du taux de rotation du noyau interne. La viscosité obtenue exclut également la translation du noyau interne et soutient que la dynamique du noyau interne peut être régie par la convection à l'état solide.

Le noyau interne de la Terre, caché à 5150 km sous nos pieds, est principalement composé de fer solide et est exposé à des pressions comprises entre 329 et 364 GPa (qui sont de ~3,3 à 3,6 millions de fois celles de la pression atmosphérique) et à des températures de ~5000 à ~6000 K (Image 1). Des observations sismologiques ont précédemment révélé que la vitesse des ondes sismiques produites par les tremblements de terre dépend fortement de leur direction lorsqu'elles traversent le noyau interne, un phénomène connu sous le nom d'« anisotropie sismique ». Cela est dû à l'alignement des cristaux de fer, quelque chose qui peut être causé par une déformation à l'intérieur du noyau interne. Des variations plus spécifiques de l'anisotropie sismique entre les hémisphères est et ouest du noyau interne ont également été rapportées. D'autres études sismiques suggèrent en outre « des fluctuations distinctes du taux de rotation du noyau interne » par rapport à celui de la croûte terrestre et du manteau. Bien que les modélisations géodynamiques antérieures prédisent que l'asymétrie hémisphérique de la structure d'anisotropie sismique peut s'expliquer par « un mouvement de translation du noyau interne » et que les variations de la durée d'un jour peuvent s'expliquer par le couplage gravitationnel entre le manteau et un faible coeur, les causes et les mécanismes de ces caractéristiques énigmatiques restent flous car leurs modélisations reposent sur la "force visqueuse" mal contrainte du fer dans les conditions extrêmes du centre de la Terre.

La viscosité des matériaux dépend de la façon dont les cristaux de fer subissent une déformation plastique en réponse à une contrainte mécanique, et des mécanismes de déformation appelés « fluage » sont généralement attendus dans des conditions de haute température et de faibles contraintes (Image 2). Le fluage des cristaux solides est généralement accommodé par le mouvement d'arrangements imparfaits des atomes dans les structures cristallines appelés "défauts de réseau" et est particulièrement limité par la "diffusion atomique" dans les conditions du noyau interne. De telles conditions imposent des difficultés techniques aux expériences de laboratoire rendant les mesures de la viscosité du noyau interne actuellement impossibles. Au lieu, Dr Sébastien Ritterbex, un chercheur post-doctoral, et le professeur Taku Tsuchiya du Geodynamics Research Center, Université d'Ehime, simulations informatiques appliquées à l'échelle atomique basées sur la théorie de la mécanique quantique, appelé « les méthodes ab initio, " pour quantifier la diffusion atomique dans le fer hexagonal compact (hcp), la phase la plus probable du fer stable dans le noyau interne (Image 1).

Cette approche théorique de la physique minérale peut calculer les propriétés électroniques et les liaisons chimiques avec une grande précision et est donc assez puissante pour étudier les propriétés des matériaux dans des conditions extrêmes qui sont difficiles à gérer par des expériences. Dans cette étude, la technique a été appliquée pour calculer l'autodiffusion du fer par l'énergétique de la formation et de la migration des défauts ponctuels. Les résultats sont appliqués à des modèles macroscopiques de plasticité intracristalline pour calculer numériquement le comportement de fluage limitant la vitesse du fer hcp. La modélisation fournit la preuve que la viscosité du fer hcp est inférieure à celle postulée dans les modélisations géophysiques précédentes et déterminée par le transport du cisaillement à travers le réseau cristallin, un mécanisme de déformation plastique dit "fluage de dislocation" (Image 2), ce qui peut conduire à la formation d'orientations cristallographiques privilégiées. Cela suggère que le flux plastique de fer hcp pourrait en effet contribuer à l'alignement des cristaux et donc à l'anisotropie sismique dans le noyau interne.

Les résultats jettent un nouvel éclairage sur les propriétés énigmatiques du noyau interne. Les chercheurs démontrent que la faible viscosité du fer hcp dérivée de l'approche théorique de la physique minérale est cohérente avec un couplage fort entre le noyau interne et le manteau compatible avec les observations géophysiques de petites fluctuations du taux de rotation du noyau interne. Les résultats prédisent en outre que le noyau interne est trop faible pour subir un mouvement de translation, ce qui signifie que la structure asymétrique hémisphérique est susceptible d'en avoir une autre, encore inconnu, origine. Au lieu, des contraintes mécaniques de quelques dizaines de Pa sont suffisantes pour déformer le fer hcp par fluage des dislocations à des vitesses de déformation extrêmement faibles, comparables aux forces candidates capables d'entraîner la convection du noyau interne. La viscosité associée n'est pas une constante mais dépend plutôt de la contrainte mécanique appliquée au noyau interne, un comportement connu sous le nom de « rhéologie non newtonienne ». Ce comportement de déformation non linéaire devrait donc régir la dynamique du noyau interne de la Terre.

À l'avenir, des modélisations plus quantitatives utilisant les propriétés visqueuses du fer hcp obtenues dans cette étude pourraient améliorer la compréhension du noyau interne de la Terre.

L'étude est publiée dans Rapports scientifiques .