Un océan magmatique à l’origine du champ magnétique terrestre ancien ?

La source exacte du champ magnétique terrestre ancien, il y a 4 milliards d’années, reste énigmatique. L’océan magmatique qui occupait la base du manteau à cette époque est un candidat possible, mais des simulations numériques remettent cette hypothèse en question.

Le champ magnétique terrestre, qui trouve sa source dans le noyau externe de notre planète et nous protège du vent solaire et des rayonnements cosmiques, n’a pas d’équivalent parmi les autres planètes rocheuses. Mercure possède bien un champ magnétique dont l’origine se situe également dans son noyau externe, mais l’intensité de ce champ est beaucoup plus faible que celle du champ terrestre. Quant à Mars et Vénus, elles ne possèdent pas de champ magnétique d’origine interne. Pour être tout à fait exact, l’analyse de roches martiennes [1] montre qu’un champ magnétique comparable au champ terrestre était toutefois présent sur Mars, il y a 4 milliards d’années (Ga), donc peu de temps après la formation de cette planète. Ce champ a ensuite rapidement décliné et semble avoir totalement disparu vers 3,7 Ga. De même, un champ magnétique semble avoir été présent sur la Lune peu après sa formation, avant de disparaître il y a 3 Ga [2]. Le cas de Vénus reste indécis : à supposer que nous puissions collecter et analyser des roches vénusiennes, la question d’un champ primitif ne serait sans doute pas résolue pour autant, car la surface de cette planète est relativement jeune, environ 700 millions d’années. Les roches de sa surface n’auraient donc pas pu enregistrer la présence d’un champ très ancien, contemporain de la jeunesse de Vénus. On peut toutefois penser qu’à l’instar de Mars et de la Lune, Vénus possédait sans doute un champ magnétique au début de son histoire.

Mais revenons sur Terre. L’analyse de roches très anciennes montre que le champ magnétique terrestre était déjà actif il y a 4 Ga. La présence de champs magnétiques primitifs protégeant les planètes telluriques peu après leur formation apparaît donc la règle plutôt que l’exception. Toutefois, comme nous allons le voir, les conditions régnant à l’intérieur de la Terre à cette époque semblent avoir été peu propices à l’entretien d’un champ magnétique dans le noyau terrestre. D’où l’idée, émise il y a quelques années, que le champ magnétique primitif de notre planète pourrait trouver sa source dans l’océan magmatique qui occupait une partie du manteau terrestre à cette époque. Une étude basée sur des simulations numériques réalisées par des chercheurs des universités de Grenoble et de Lyon apporte de nouveaux éléments à ce débat [3]. Selon ces travaux, un océan magmatique peut effectivement, sous certaines conditions, être la source d’un champ magnétique. Dans l’état actuel de nos connaissances, ces conditions ne semblent cependant pas avoir été réunies dans l’océan magmatique terrestre.

Le champ magnétique terrestre ancien

Les archives géologiques de notre planète montrent que le champ magnétique terrestre a entamé un long déclin vers 3 Ga. Toutefois, à l’inverse du champ martien, il ne s’est pas éteint et a, au contraire, opéré un redémarrage il y a environ 1 Ga. Ce redémarrage est attribué à la cristallisation de la graine (le noyau interne), c’est-à-dire à la solidification du fer et du nickel au centre de notre planète. La chaleur latente libérée par ce changement de phase fournit l’énergie nécessaire à l’entretien de grands mouvements de matière (ou écoulement), lesquels génèrent un champ magnétique via un phénomène de géodynamo. Une géodynamo peut aussi s’enclencher dans un noyau entièrement liquide (comme c’était le cas du noyau terrestre il y a 4 Ga) à condition qu’une quantité de chaleur suffisamment importante soit extraite du noyau vers le manteau, ce qui permet d’entretenir l’écoulement du noyau. La durée de vie de ce champ est cependant limitée à cause de la dissipation magnétique, qui convertit en chaleur l’énergie liée au champ magnétique. La convection thermique dans un noyau liquide, puis la cristallisation de la graine permettent ainsi de comprendre l’histoire du champ magnétique terrestre dans ses grandes lignes. Toutefois, cette histoire se complique si l’on admet qu’il y a 4 Ga, un océan magmatique souterrain occupait la base du manteau.

En effet, les modèles d’évolution planétaire suggèrent que les planètes rocheuses ont connu, au début de leur histoire, une phase au cours de laquelle une partie de leur manteau était fondue ou partiellement fondue, formant un océan magmatique global. L’évolution de l’océan magmatique d’une planète (ou, si l’on préfère, sa cristallisation) est liée au refroidissement de cette planète et dépend du diagramme de phase des matériaux composant son manteau, c’est-à-dire de la phase (liquide ou différentes phases solides, selon la structure cristalline) prise par un matériau donné en fonction de la pression et de la température. L’histoire de la cristallisation de l’océan magmatique d’une planète dépend donc de la nature des roches composant son manteau et implicitement (via la pression) de la taille de la planète. Le diagramme de phase des roches composant le manteau terrestre prévoit que l’océan magmatique a cristallisé depuis son sommet vers sa base. Par ailleurs, la chaleur latente rejetée par la cristallisation de l’océan a été utilisée pour chauffer l’océan résiduel. Selon ce scénario, le refroidissement du manteau aurait ainsi conduit à la formation d’un océan magmatique très chaud coincé entre le manteau solide et le noyau, configuration qui ne permet pas au noyau de se refroidir efficacement. Autrement dit, la quantité de chaleur extraite du noyau (si tant est que l’on puisse en extraire) n’est pas suffisante pour entretenir un phénomène de géodynamo dans ce noyau. C’est ce constat qui a conduit les géophysiciens à imaginer que le champ magnétique terrestre primitif pourrait trouver son origine dans l’océan magmatique souterrain lui-même. En 2020, des calculs basés sur des lois d’échelle semblaient étayer cette idée.

Le champ magnétique de l’océan magmatique

Pour tester cette hypothèse plus en détail, Nathanaël Schaeffer et ses collègues ont réalisé une série de simulations numériques de géodynamo reproduisant le mouvement d’un fluide (l’écoulement) dans une coquille sphérique en rotation et le champ magnétique associé à cet écoulement (fig. 1). Plusieurs paramètres, comme l’épaisseur de l’océan magmatique, le flux de chaleur à son sommet, ainsi que sa viscosité et sa conductivité électrique, influencent l’écoulement et le champ magnétique. En particulier, la vigueur des mouvements augmente avec la conductivité électrique de l’océan et avec la vitesse caractéristique de l’écoulement. Les simulations numériques permettent ainsi de préciser les conditions requises pour l’établissement d’un champ magnétique comparable au champ terrestre ancien, conditions que l’on peut ensuite comparer à des modèles d’évolution (de cristallisation) de l’océan magmatique terrestre via des lois d’échelle entre l’épaisseur de l’océan et la vitesse caractéristique de son écoulement.

Plusieurs conclusions peuvent être tirées de ces nouvelles simulations. Tout d’abord, elles confirment qu’il est possible de générer un champ magnétique à l’intérieur d’un océan magmatique situé à la base du manteau terrestre, y compris dans le cas d’un océan relativement peu épais (390 km). Ensuite, sous l’influence de la rotation terrestre, l’écoulement se rapproche d’un écoulement géostrophique, c’est-à-dire qu’il s’organise presque (mais pas parfaitement) selon une série de colonnes parallèles à l’axe de rotation. Cette propriété est importante car, en étirant les lignes de champ le long de l’axe nord-sud, elle confère au champ magnétique son caractère dipolaire (plus précisément, la composante dipolaire domine les composantes plus complexes et de plus petite échelle, ce qui est le cas du champ terrestre). Enfin, point crucial, les simulations montrent que, pour obtenir un champ d’intensité comparable au champ terrestre (actuel ou ancien), les mouvements de matière animant l’océan doivent être assez vigoureux.

Une conductivité électrique trop faible

Concrètement, les modèles d’évolution de l’océan magmatique suggèrent que cette condition n’est jamais atteinte (fig. 2A). La vigueur estimée par ces modèles d’évolution est toujours inférieure à la vigueur nécessaire pour entretenir une géodynamo, situation en partie liée à la conductivité thermique de l’océan magmatique. Ce dernier, rappelons-le, est composé de roches fondues, et sa conductivité électrique, bien que mal connue, est estimée autour de 20 000 S/m. En comparaison, la conductivité du noyau liquide, qui est, lui, majoritairement composé de fer, est de l’ordre de 10⁵ à 10⁶ S/m. Trop faible, la conductivité de l’océan magmatique a pour effet de limiter la vigueur de l’écoulement. Les calculs montrent que, pour obtenir un champ magnétique fort, la conductivité de l’océan devrait être supérieure à son estimation actuelle d’au moins un facteur dix (fig. 2B).

En fin de compte, et dans l’état actuel de nos connaissances, les résultats obtenus par Nathanaël Schaeffer et ses collègues suggèrent qu’il est plus difficile que prévu d’entretenir un champ magnétique intense dans un océan magmatique souterrain. L’origine du champ magnétique terrestre ancien reste donc mal comprise. L’identification de sources d’énergie jusqu’à présent non identifiées, soit dans le noyau, soit dans l’océan magmatique, permettrait de résoudre cette question. Une autre piste de réflexion concerne les propriétés physico-chimiques de l’océan magmatique et du manteau, et en particulier une prise en compte plus fine du diagramme de phase de ce dernier.

Article écrit par Frédéric Deschamps │ IESAS, Taipei, Taïwan

[Notes]

1. Lors de leur refroidissement, les roches volcaniques contenant des minéraux comme l’hématite ou la magnétite peuvent enregistrer le champ magnétique ambiant, s’il en existe un. Au cours du temps, ces roches conservent leurs propriétés magnétiques (sauf si elles sont chauffées à nouveau), et elles émettent un champ magnétique dit rémanent et de petite intensité. La détection d’un champ magnétique rémanent, par exemple dans les roches martiennes, témoigne ainsi de la présence d’un champ magnétique interne dans le passé, plus précisément à l’époque où ces roches se sont formées.
2. Selon les études les plus récentes, le champ lunaire, bien que faible, aurait perduré jusqu’à 2 Ga.
3. Schaeffer N. et al., « Energetically expensive dynamo action in Earth’s basal magma ocean », Proceedings of the National Academy of Sciences, 122, e2507575122, 2025, doi : 10.1073/pnas.2507575122.