Une équipe de recherche internationale pourrait avoir trouvé une explication aux anomalies sismiques, c’est-à-dire des écarts notables dans le comportement des ondes sismiques, dans le noyau interne de la Terre. Une équipe dirigée par des scientifiques de l’Université de Münster et comprenant des membres du Synchrotron allemand à électrons (DESY), de l’Université de Lille et de l’Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) a simulé les conditions de haute pression et température de l’intérieur profond de la Terre. Ils ont étudié le comportement plastique-élastique des alliages de fer avec du silicium et du carbone en utilisant la source de lumière PETRA III au DESY à Hambourg.
Les résultats de ces expériences, extrapolés aux conditions du noyau interne terrestre, révèlent qu’une stratification en couches, semblable à un oignon, induite par le mélange carbone-silicium ajouté au fer pur, peut expliquer les anomalies sismiques détectées dans le noyau terrestre. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue Nature Communications.
Le noyau terrestre est principalement composé de fer. Cependant, de faibles concentrations d’éléments plus légers qui forment des alliages de fer, comme le silicium, le carbone et l’oxygène, sont également présentes dans le noyau. Alors que le noyau externe est liquide, le noyau interne est solide et serait constitué de ces alliages de fer. Les sismologues ont observé dans le noyau interne que les ondes sonores de compression, créées par des événements tels que les tremblements de terre, se propagent 3 à 4 % plus vite parallèlement à l’axe de rotation de la Terre que celles se déplaçant dans le plan équatorial. Ces anomalies dans la vitesse des ondes sismiques, appelées anisotropie, ont des magnitudes différentes lorsqu’on compare les parties externes et internes du noyau interne.
« Plusieurs hypothèses ont été avancées pour expliquer l’origine de ces anisotropies », déclare la professeure Carmen Sanchez-Valle de l’Institut de minéralogie de l’Université de Münster. Une explication possible serait l’émergence d’un phénomène appelé orientation préférentielle du réseau cristallin (LPO), où les cristaux des alliages changent d’orientation en raison de modèles de convection thermique ou d’une croissance préférentielle intrinsèque. « Malheureusement, il existe très peu de données expérimentales sur ce à quoi une telle LPO pourrait ressembler dans le noyau de fer de la Terre, et il n’y a aucune donnée sur la LPO des mélanges d’alliages fer-silicium-carbone. Nous avons donc entrepris d’étudier l’effet combiné du silicium et du carbone sur le comportement en déformation du fer », explique Sanchez-Valle.
Afin d’étudier le comportement en déformation des alliages de fer, l’équipe de Sanchez-Valle et le chef d’équipe Ilya Kupenko ont synthétisé des alliages fer-silicium-carbone. À la ligne de lumière Science des Conditions Extrêmes P02.2 de PETRA III, l’équipe a chargé les alliages dans un dispositif de génération d’états extrêmes appelé cellule à enclumes de diamant, qui consiste en 2 diamants opposés avec des pointes aplaties qui compriment l’échantillon dans des conditions de pression extraordinaire et de haute température. Pour cette expérience, l’alliage a d’abord été comprimé, puis chauffé à plus de 820°C, puis encore comprimé jusqu’à environ un million de fois la pression atmosphérique.
Les scientifiques ont observé à partir de l’analyse par rayons X à PETRA III que pendant la compression de l’alliage de fer polycristallin, l’échantillon développait une LPO. « Nous avons pu décoder la LPO via la diffraction des rayons X perpendiculairement à l’axe de compression », détaille le premier auteur Efim Kolesnikov, qui était doctorant à l’Université de Münster lors de l’expérience. La méthode de diffraction radiale utilisée sur l’échantillon a été largement développée à P02.2. « Les figures de diffraction ont été analysées après l’expérience pour déduire les propriétés plastiques – spécifiquement, la limite d’élasticité et la viscosité – des alliages fer-silicium-carbone, qui ont ensuite été modélisées par la théorie pour les extrapoler aux conditions du noyau interne. »
À partir des propriétés de plasticité, l’équipe a calculé la différence entre les vitesses des ondes sonores de compression dans l’alliage fer-silicium-carbone aux conditions du noyau interne et les a comparées à celles du fer pur. Le résultat : les différences d’anisotropie pourraient être liées à un gradient de composition, puisque le pourcentage de fer augmente avec la profondeur du noyau. « Cela correspond aux différentes anisotropies de vitesse observées dans les profils sismiques », conclut le chef d’équipe Kupenko.
Article : Depth-dependent anisotropy in the Earth’s inner core linked to chemical stratification – Journal : Nature Communications – Méthode : Experimental study – DOI : 10.1038/s41467-025-67067-y
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Source : University of Münster
