Le noyau interne solide (Fig. 1) est la partie la plus éloignée et énigmatique de notre planète, et, à côté de la croûte, est la plus petite subdivision « officielle” de l’intérieur de la Terre. Il a été découvert en 1936 (1), et, en 1972, il a été établi qu’il était solide, mais avec une très faible rigidité (2-4). En 1993, il avait été établi qu’il était cristalline (5)., Le noyau interne est isolé du reste de la Terre par le noyau externe fluide à faible viscosité, et il peut tourner, hocher, vaciller, précéder, osciller et même se retourner, n’étant que faiblement contraint par les coquilles environnantes. Son existence, sa taille et ses propriétés limitent la température et la minéralogie près du centre de la Terre. Parmi ses caractéristiques anormales figurent une faible rigidité et viscosité (par rapport à d’autres solides), une atténuation en vrac, une anisotropie extrême et une superrotation (ou déformation; refs. 5–8)., D’après les vitesses sismiques et les abondances cosmiques, nous savons qu’il est composé principalement de cristaux de fer-nickel, et les cristaux doivent présenter un grand degré d’orientation commune. On prévoit que le noyau interne a une conductivité thermique et électrique très élevée, une forme non phérique et des propriétés dépendantes de la fréquence; il peut également être partiellement fondu. Il peut être essentiel pour l’existence du champ magnétique et pour les inversions de polarité de ce champ (D. Gubbin, D. Alfe, G. Masters, D. Price et M. Gillan, travaux non publiés)., Le gel du noyau interne et l’expulsion des impuretés sont probablement responsables de l’alimentation du géodynamo. Pourtant, le noyau interne représente moins de 1% du volume de la Terre, et seules quelques ondes sismiques l’atteignent et retournent à la surface. Le noyau interne est une petite cible pour les sismologues, et les ondes sismiques sont déformées en traversant la Terre entière avant de l’atteindre. Les Conditions près du Centre de la Terre sont si extrêmes que les théoriciens et les expérimentateurs ont du mal à dupliquer son environnement., Néanmoins, il y a eu une vague récente d’activité sur le noyau interne par les sismologues, les géochimistes, les dynamiciens, les scientifiques des matériaux et les théoriciens de la géodynamie. Presque tout ce qui est connu ou déduit du noyau interne de la sismologie ou de l’inférence indirecte est controversé. Dans ce numéro de PNAS, Ishii et Dziewoński (8) ajoutent de l’intrigue et de la complication aux phénomènes proches du Centre de la Terre, et suggèrent une histoire complexe pour ce petit objet.,

Les planètes se différencient à mesure qu’elles accrètent et gagnent de l’énergie gravitationnelle. Le moment de cette différenciation est un objectif de longue date des sciences de la Terre (9-13). La stratification de densité explique les emplacements de la croûte, du manteau et du noyau., Le noyau interne est probablement également le résultat d’une stratification chimique, bien que l’effet de la pression sur le point de fusion générerait un noyau interne solide même s’il était chimiquement identique au noyau externe. Les matériaux de faible densité sont exclus lorsque la solidification est lente, de sorte que le noyau interne peut être plus pur et plus dense que le noyau externe. Au fur et à mesure que le noyau interne cristallise et que le noyau externe se refroidit, le matériau retenu en solution et en suspension se détache ou se dépose à la limite du manteau central et peut être incorporé dans le manteau le plus bas., Le manteau est généralement traité comme une couche chimiquement homogène, mais cela est peu probable. Des silicates plus denses, probablement riches en silicium et en fer, gravitent également vers les parties inférieures du manteau. Les matériaux du manteau Crustal et peu profond ont été transpirés hors de la Terre au fur et à mesure de son accrétion, et certains n’étaient apparemment jamais en équilibre avec le matériau central., L’effet de la pression sur les propriétés physiques implique que le manteau et le noyau se sont probablement stratifiés de manière irréversible lors de l’accrétion, que seules les coquilles externes du manteau participent à des processus de surface tels que le volcanisme et la tectonique des plaques, et que seules les couches plus profondes interagissent actuellement avec le noyau.

la croûte, le manteau supérieur, le manteau inférieur, le noyau et le noyau interne sont les subdivisions classiques de l’intérieur de la Terre. La tomographie sismique est utilisée pour cartographier les variations latérales à grande échelle dans ces grandes subdivisions., Des techniques sismiques à haute résolution ont été utilisées pour découvrir et cartographier des entités à petite échelle en haut et en bas du noyau (14-16). Les frontières classiques à l’intérieur de la terre (6) ont toutes été découvertes au début du siècle dernier. Dans les années 1960, des limites internes au manteau ont été découvertes à des profondeurs de 400 et 650 km et ont été attribuées à des changements de phase solide–solide (17), contrairement aux autres qui sont des limites chimiques ou de solidification. Plus récemment, une discontinuité chimique probable a été trouvée profondément dans le manteau (16), et une autre a été déduite près de 900 km (18)., Les discontinuités sismiques sont classiquement trouvées par la réflexion et la réfraction des ondes sismiques, mais récemment des facteurs tels que l’anisotropie, l’atténuation, la diffusion, la densité spectrale et les décorrelations statistiques ont été utilisés pour trouver les caractéristiques les plus subtiles. La nouvelle région profondément dans le noyau interne représente un changement de caractère du motif d’anisotropie (8) et peut représenter un phénomène fondamentalement différent.

La Controverse de longue date au sujet d’un tracé (100 millions d’années) contre., une accrétion terrestre rapide (≈1 million d’années) semble se résoudre en faveur des échelles de temps plus courtes et d’une origine à haute température. Les données géophysiques nécessitent une accrétion rapide de la Terre et la formation précoce du noyau (9). Jusqu’à récemment, l’accrétion rapide était en contradiction avec la théorie de l’accrétion et les données isotopiques, mais maintenant, ces disciplines favorisent également une échelle de temps contractée. Une variété d’isotopes ont confirmé de courts intervalles de temps entre la formation du système solaire et les processus de différenciation planétaire (10-13)., Cette découverte a une incidence sur l’âge du noyau interne et son histoire de refroidissement.

Il existe trois mécanismes très différents pour créer un noyau planétaire. Dans l’hypothèse d’accrétion homogène, les silicates et les métaux s’accrètent ensemble mais, à mesure que la Terre se réchauffe, les métaux lourds percolent vers le bas, formant finalement de grandes accumulations denses qui s’enfoncent rapidement vers le centre, emportant avec eux les éléments sidérophiles., Dans l’hypothèse de l’accrétion hétérogène, les condensats réfractaires (y compris le fer et le nickel) d’une nébuleuse de refroidissement commencent à former le noyau d’une planète avant que la majeure partie des silicates et des volatiles ne soient disponibles. Le placage tardif fournit des condensats et des gaz à basse température, y compris de l’eau, provenant des confins du système solaire. Enfin, de grands impacts tardifs peuvent injecter efficacement et rapidement leurs noyaux métalliques au centre de la planète impactée et déclencher une séparation supplémentaire du fer du manteau. La Lune est un sous-produit de l’un de ces impacts tardifs., Le matériau du noyau peut donc avoir des origines multiples et une histoire complexe. D’autres problèmes concernant le noyau interne impliquent son âge, son taux de croissance, sa densité, sa température, sa texture et ses sources d’énergie internes (réfs. 8 et 19-21, et D. Gubbin, D. Alfe, G. Masters, D. Price et M. Gillan, ouvrage inédit).

le noyau externe est généralement considéré comme complètement fondu en raison de sa faible viscosité et de son incapacité à transmettre des ondes de cisaillement. Cependant, il pourrait contenir plus de 50% de cristaux en suspension et se comporter toujours comme un fluide., La limite du noyau interne pourrait alors représenter le croisement du géotherme avec la courbe de fusion (l’explication classique) ou une limite de compactage où la densité de particules de la suspension dépasse un seuil. On suppose généralement que le noyau externe est homogène, entièrement fluide et converge de manière turbulente. Le noyau interne peut également contenir une fraction fondue importante, en particulier s’il existe un grand intervalle entre le solidus et le liquidus. Il a également été proposé que le noyau interne soit un fluide visqueux ou un verre métallique (19)., Les nouveaux résultats sur l’anisotropie rendent cela improbable. La faible viscosité inférée du noyau interne signifie qu’il peut se déformer et convecter sous l’influence des contraintes de marée et de rotation et des mouvements du noyau externe ainsi que des contraintes générées à l’intérieur. Le noyau intérieur est l’un des rares endroits de l’intérieur où l’on pourrait s’attendre à voir des changements à l’échelle du temps humain. Il peut présenter une rotation différentielle semi-rigide par rapport au manteau, mais aussi, et plus probablement, une déformation non rigide ou plastique. L’anisotropie est un indicateur d’une telle déformation ou convection.,

Les cristaux sont anisotropes et ont tendance à être orientés par sédimentation, congélation, recristallisation, déformation et écoulement. Par conséquent, nous nous attendons à ce que les parties solides de la terre soient anisotropes à la propagation des ondes sismiques et à d’autres propriétés matérielles. Malgré ces attentes, la sismologie s’est développée et a prospéré avec l’hypothèse de l’isotropie jusqu’aux années 1960. à ce stade, la théorie de l’anisotropie sismique a été élaborée et les observations ont vérifié les attentes (voir références en réf. 6)., Néanmoins, la plupart des sismologues ont ignoré l’anisotropie jusqu’à assez récemment dans les progrès de la sismologie. Non seulement l’anisotropie est un outil utile pour déterminer la composition, la minéralogie et la déformation à partir de la sismologie, mais les modèles terrestres basés sur l’isotropie peuvent être complètement faux. L’anisotropie n’est pas simplement une petite perturbation d’une terre essentiellement isotrope. La variation des vitesses des ondes sismiques en fonction de la direction peut être supérieure à celles causées par la température et la composition., Dans le cas du noyau interne interne (8), les ondes sismiques pénétrantes se déplacent presque radialement, de sorte que très peu d’informations sont extractibles, à l’exception de la variation du temps de déplacement avec l’Azimut, par exemple des trajectoires équatoriales par rapport aux trajectoires polaires, ou avec des ondes se propageant dans différentes directions dans le plan équatorial. La taille de la zone de Fresnel limite également la résolution sismique du noyau le plus interne. Heureusement, les cristaux de fer à haute pression ont une anisotropie importante (21, 22); sinon, on pourrait dire peu de choses sur l’hétérogénéité ou la rotation/déformation du noyau interne.,

la forme et le tissu du noyau interne sont affectés par les forces gravitationnelles du manteau, les contraintes électromagnétiques et visqueuses du noyau externe et les contraintes de rotation et de marée. Ces contraintes provoquent un écoulement plastique irréversible, un alignement cristallin et une recristallisation. L’anisotropie sismique en est un résultat.

Le noyau interne est soumis à une variété de contraintes externes impliquant des variations dans les paramètres orbitaux et rotationnels, les marées, les remorqueurs gravitationnels du manteau, la traînée visqueuse du noyau externe et les forces électromagnétiques., Il peut également générer des contraintes internes par variations thermiques et chimiques, anisotropie et refroidissement, et y répondre par écoulement poreux, rotation différentielle, convection, déformation et création d’anisotropie matérielle. L’anisotropie peut également se former par congélation du noyau interne et sédimentation à sa surface. L’hétérogénéité à petite échelle, par exemple, peut faire fondre des canaux ou un tissu d’exsolution et peut également générer une anisotropie apparente.

l’explication classique de la formation du noyau interne solide implique un refroidissement et une cristallisation lents., Parce que la température de fusion augmente avec la pression, le noyau se solidifiera du centre vers l’extérieur. Mais cet effet signifie également que lorsque la pression augmente en raison de l’accrétion, le noyau peut geler lorsque la Terre atteint une taille critique, à moins qu’il n’y ait une grande quantité de surchauffe. Bien que nous sachions que le champ magnétique est ancien et qu’un noyau interne solide et en croissance peut être essentiel à son existence, il est possible que des événements catastrophiques tels que l’impact de la formation de la Lune aient provoqué la réforme du noyau interne une ou plusieurs fois., La surchauffe initiale et la croissance épisodique résoudront peut-être certains des problèmes énergétiques actuels (réf. 20, et D. Gubbin, D. Alfe, G. Masters, D. Price et M. Gillan, ouvrage non publié). Un noyau interne croissant est nécessaire pour alimenter la dynamo actuelle, mais un refroidissement rapide peut avoir alimenté l’ancienne dynamo (D. Gubbin, D. Alfe, G. Masters, D. Price et M. Gillan, travaux non publiés). Le noyau interne peut donc être beaucoup plus jeune que la Terre. L’hétérogénéité et l’anisotropie du noyau interne peuvent aider à limiter son histoire apparemment complexe.,

Le noyau interne a une incidence sur une grande variété de problèmes géophysiques, géochimiques (23), de champ magnétique et planétaires. L’anisotropie n’est pas seulement un paramètre important de la dynamique du noyau, elle permet également de caractériser et de surveiller le noyau interne. L’anisotropie est devenue un outil indispensable pour les sismologues, plutôt que la peine qu’elle était autrefois considérée. Et la perspective de trouver des différences la prochaine fois que nous regardons offre une excitation inhabituelle dans la plupart des efforts de cartographie de routine.