On a coutume de dire que le noyau terrestre est composé d’un alliage de fer et de nickel. C’est vrai, mais dans le détail, la constitution de cette enveloppe située au centre de la Terre est bien plus complexe. Noyau interne et externe contiendraient ainsi certaines proportions d’éléments « légers », dont la présence jouerait un rôle majeur dans la dynamique terrestre.
La Terre est composée de plusieurs enveloppes présentant chacune une composition chimique et minéralogique assez différente. Deux grands ensembles peuvent cependant être définis : la croûte et le manteau sont en effet principalement composés de minéraux silicatés, alors que le noyau, qui gît au centre de la Terre, est majoritairement constitué de fer.
Un noyau divisé en deux
La nature du noyau terrestre est cependant bien plus complexe qu’une simple boule de fer pur. Il faut tout d’abord rappeler que le noyau se divise en deux entités aux caractéristiques bien différentes : le noyau externe, qui se situe entre 2 891 et 5 150 kilomètres de profondeur, et le noyau interne, qui s’étend entre 5 150 et 6 370 kilomètres de profondeur (le dernier chiffre représentant le centre de la Terre).
La principale différence entre ces deux entités est une question d’état : le noyau externe est liquide alors que le noyau interne (également appelé « graine ») est solide. Il faut savoir que cette différence d’état est toutefois moins liée à la composition qu’aux différences de pressions et températures qui existent entre ces deux enveloppes. Au niveau chimique, noyaux externe et interne présentent en effet une composition relativement similaire, avec approximativement 85 % de fer, 5 % de nickel. Cet alliage de fer-nickel est accompagné d’environ 10 % d’autres éléments dits « légers ». Et c’est bien dans ces 10 % restant que se joue la différence entre les deux parties du noyau terrestre.
Des mesures de la composition qui ne sont qu’indirectes
Contraindre cette composition dans le détail est cependant très compliqué, étant donné qu’aucun échantillonnage direct n’est possible. La présence de cette proportion d’éléments légers a été initialement déterminée grâce à des calculs de densité du noyau. Les observations sismologiques de la vitesse des ondes ont en effet montré que celui-ci était en réalité moins dense que ce que prévoyaient les modèles impliquant uniquement du fer et du nickel.
Ces données sismologiques, mais également les expériences de haute pression réalisées en laboratoire, la comparaison avec la composition des chondrites et la théorie de la formation des planètes du Système solaire ont permis de dresser une liste des éléments légers présents dans le noyau.
Du fer et du nickel… mais pas seulement !
Il apparaît ainsi que le noyau serait composé, en plus de l’alliage Fe-Ni, d’hydrogène, de carbone, d’oxygène, de soufre et de silice. Les proportions de ces différents éléments sont encore très mal contraintes et les estimations divergent d’une étude à l’autre. Il semble toutefois que la silice serait l’élément léger le plus abondant dans le noyau externe (jusqu’à 6 % en poids). Derrière, viendraient le soufre et l’oxygène. Le carbone, quant à lui, serait un élément mineur.
Il est vraisemblable que les proportions de ces différents éléments soient différentes dans le noyau interne. En particulier, il apparaît que l’oxygène en serait pratiquement absent en raison de sa non-solubilité dans le fer solide. Le carbone et l’hydrogène seraient au contraire des « impuretés » jouant un rôle important dans les anomalies de vitesses sismiques observées à l’intérieur du noyau interne, en comparaison d’un modèle constitué de fer pur. Les principaux éléments légers entrant dans la constitution du noyau interne seraient donc ceux capables de former des alliages avec le fer solide dans les conditions de haute pression et haute température qui règnent au centre de la Terre. Il s’agirait donc principalement du soufre, de la silice, du carbone et de l’hydrogène.
Une composition qui influence toute la dynamique terrestre
Même si la composition exacte reste très imprécise en ce qui concerne les éléments légers, il faut préciser toutefois que les compositions du noyau interne et du noyau externe sont interdépendantes. Le noyau interne croît en effet par cristallisation du noyau externe liquide au niveau de l’interface entre les deux enveloppes. Or, il apparaît que le saut de densité observé au niveau de cette interface est plus important que ce à quoi on s’attendrait pour une transition d’un état liquide à solide du fer. Cela indique que le noyau interne est appauvri en éléments légers par rapport au noyau externe. Cet appauvrissement se jouerait au moment de la cristallisation du fer au niveau de l’interface avec le noyau solide. De même, le contact avec le manteau terrestre influencerait la composition du noyau externe.
La composition du noyau, notamment la présence d’éléments légers, influence notablement certaines propriétés, comme la température de fusion, la viscosité ou la conductivité thermique des roches. Autant de paramètres qui impactent profondément l’état, la dynamique, la formation et l’évolution du noyau terrestre, mais également des autres enveloppes.
La composition du noyau joue notamment un rôle important dans l’effet géodynamo qui est à l’origine du champ magnétique terrestre.