Nouvelle étude du noyau terrestre // New study of the Earth’s core

drapeau-francaisOn peut lire sur le site web Tokyo Tech News que des scientifiques de l’Institut des Sciences de la Terre et de la Vie (ELSI) de l’Institut de Technologie de Tokyo ont fait part, dans la revue Nature du 22 février 2017, de leurs surprenantes découvertes sur le noyau terrestre. L’étude s’attarde sur la source d’énergie qui alimente le champ magnétique terrestre, les facteurs qui régissent le refroidissement du noyau et sa composition chimique, ainsi que les conditions qui existaient pendant la formation de la Terre.

Le noyau terrestre consiste principalement en une énorme boule de métal liquide à 3000 km sous sa surface de la Terre, en dessous du manteau. À une telle profondeur, le noyau et le manteau sont soumis à des pressions et à des températures extrêmement élevées. De plus, les recherches ont montré que le lent déplacement de matière en fusion à très haute température – à raison de plusieurs centimètres par an – provoque un transfert de la chaleur du noyau vers la surface, ce qui a entraîné un refroidissement très progressif du noyau au cours des temps géologiques. Le degré de refroidissement du noyau terrestre depuis sa formation est l’objet de débats intenses parmi les scientifiques.
En 2013, un chercheur japonais a indiqué que le noyau terrestre a peut-être refroidi de 1000°C depuis sa formation il y a 4,5 milliards d’années. Cet important refroidissement serait nécessaire pour maintenir le champ géomagnétique, à moins qu’il existe une autre source d’énergie encore inconnue. Ces résultats ont constitué une grande surprise pour la communauté scientifique qui étudie les profondeurs de notre planète. .
Le refroidissement du noyau et les sources d’énergie nécessaires au champ géomagnétique ne furent pas les seuls obstacles rencontrés par l’équipe de l’Institut de Technologie de Tokyo. Une autre question encore non résolue était l’incertitude quant à la composition chimique du noyau. Selon l’auteur principal de l’étude, le noyau est, certes, principalement composé de fer et de nickel, mais il contient également environ 10% d’alliages légers comme le silicium, l’oxygène, le soufre, le carbone, l’hydrogène et d’autres composés. On pense que de nombreux alliages sont simultanément présents, mais nous ne connaissons pas la proportion de chaque élément.
Dans le cadre des dernières expériences effectuées dans un laboratoire de l’ELSI, les scientifiques ont utilisé des diamants taillés avec précision et en ont soumis de minuscules échantillons aux pressions qui existent au niveau du noyau terrestre. Les très hautes températures qui règnent à l’intérieur de la Terre ont été créées en chauffant les échantillons avec un rayon laser. En effectuant des expériences avec une gamme de compositions d’alliages dans diverses conditions, les chercheurs ont tenté d’identifier le comportement propre à différentes combinaisons d’alliages correspondant à l’environnement qui existe au niveau du noyau terrestre.
Le travail avec les alliages a commencé à donner des résultats intéressants lorsque les scientifiques ont commencé à utiliser plus d’un alliage. Dans les nouvelles expériences, ils ont décidé de combiner deux alliages différents contenant du silicium et de l’oxygène qui, selon eux, ont de très fortes chances d’exister dans le noyau.
Les chercheurs ont été surpris de constater, en examinant les échantillons dans un microscope électronique, que les petites quantités de silicium et d’oxygène présentes dans l’échantillon de départ s’étaient combinées pour former des cristaux de dioxyde de silicium avec la même composition que le quartz minéral que l’on rencontre à la surface de la Terre.
Ce résultat est important pour la compréhension de l’énergie et de l’évolution du noyau. Les calculs des chercheurs ont montré que la cristallisation des cristaux de dioxyde de silicium au niveau du noyau était susceptible de fournir une immense nouvelle source d’énergie pour alimenter le champ magnétique terrestre.
L’équipe scientifique a également exploré les implications de ces résultats pour la formation de la Terre et les conditions du début du système solaire. La cristallisation modifie la composition du noyau en éliminant progressivement le silicium et l’oxygène qui y sont dissous. Finalement, le processus de cristallisation s’arrêtera lorsque le noyau aura épuisé son ancien stock de silicium ou d’oxygène. Même si le silicium est présent, les cristaux de dioxyde de silicium ne peuvent pas se former sans la présence d’un peu d’oxygène. Cela donne des indices sur la concentration initiale d’oxygène et de silicium dans le noyau, parce que seuls quelques rapports silicium / oxygène sont compatibles avec ce modèle.
Sources: Tokyo Tech News & The Watchers.

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drapeau-anglaisThe Tokyo Tech News website informs us that scientists at the Earth-Life Science Institute (ELSI) at the Tokyo Institute of Technology reported in Nature (22 February 2017) their unexpected discoveries about the Earth’s core. The findings include insights into the source of energy driving the Earth’s magnetic field, factors governing the cooling of the core and its chemical composition, and conditions that existed during the formation of the Earth.

The Earth’s core consists mostly of a huge ball of liquid metal lying at 3 000 km beneath its surface, surrounded by the mantle. At such great depths, both the core and mantle are subject to extremely high pressures and temperatures. Furthermore, research indicates that the slow flow of hot buoyant rocks -moving several centimetres per year – carries heat away from the core to the surface, resulting in a very gradual cooling of the core over geological time. However, the degree to which the Earth’s core has cooled since its formation is an area of intense debate amongst Earth scientists.

In 2013, a Japanese researcher reported that the Earth’s core may have cooled by as much as 1000°C since its formation 4.5 billion years ago. This large amount of cooling would be necessary to sustain the geomagnetic field, unless there was another as yet undiscovered source of energy. These results were a major surprise to the deep Earth community.

Core cooling and energy sources for the geomagnetic field were not the only difficult issues faced by the team at the Tokyo Institute of Technology. Another unresolved matter was uncertainty about the chemical composition of the core. According to the lead author of the study, the core is mostly iron and some nickel, but also contains about 10% of light alloys such as silicon, oxygen, sulphur, carbon, hydrogen, and other compounds. We think that many alloys are simultaneously present, but we don’t know the proportion of each element.

Now, in this latest research carried out in a lab at ELSI, the scientists used precision cut diamonds to squeeze tiny dust-sized samples to the same pressures that exist at the Earth’s core. The high temperatures at the interior of the Earth were created by heating the samples with a laser beam. By performing experiments with a range of probable alloy compositions under a variety of conditions, the researchers are trying to identify the unique behaviour of different alloy combinations that match the distinct environment that exists at the Earth’s core.

The search of alloys began to yield useful results when the scientists began mixing more than one alloy. In the new experiments, they decided to combine two different alloys containing silicon and oxygen, which they strongly believed exist in the core.

The researchers were surprised to find that when they examined the samples in an electron microscope, the small amounts of silicon and oxygen in the starting sample had combined together to form silicon dioxide crystals, the same composition as the mineral quartz found at the surface of the Earth.

This result proved important for understanding the energetics and evolution of the core. The researchers’calculations showed that crystallization of silicon dioxide crystals from the core could provide an immense new energy source for powering the Earth’s magnetic field.

The team has also explored the implications of these results for the formation of the Earth and conditions in the early Solar System. Crystallization changes the composition of the core by removing dissolved silicon and oxygen gradually over time. Eventually, the process of crystallization will stop when then core runs out of its ancient inventory of either silicon or oxygen. Even if silicon is present, silicon dioxide crystals can’t be made without also having some oxygen available. This gives clues about the original concentration of oxygen and silicon in the core, because only some silicon/oxygen ratios are compatible with this model.

Source: Tokyo Tech News & The Watchers.

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 Rappel de la structure interne de la Terre (Source: Wikipedia)

La super éruption du Toba : Une affaire de cristaux de quartz ? // The Toba super eruption : A matter of quartz crystals ?

drapeau-francaisIl y a 73 000 ans, le Toba a connu une éruption cataclysmique. Le volcan appartient à la catégorie des « super volcans » dont les impacts sont si importants qu’ils peuvent provoquer un changement climatique à l’échelle de la planète. On estime que l’éruption du Toba a atteint le niveau 8 sur l’indice d’explosivité volcanique (VEI). Elle a expédié un volume de 2800 kilomètres cubes de cendre volcanique sur la région autour du volcan.
Un groupe de chercheurs de l’Université d’Uppsala et leurs collègues de différents pays ont peut-être trouvé ce qui déclenche les éruptions de ces super volcans ; c’es le contenu d’une nouvelle étude publiée dans la revue Scientific Reports.
La création et l’émission de quantités énormes de lave et autres matériaux au cours des super éruptions ont animé les débats entre les scientifiques pendant de longues années. Il est généralement admis que les volcans entrent en éruption quand se produisent des variations de densité et de pression, et qu’ils sont un moyen, pour la Terre, de libérer un excès de chaleur et de pression. Pourtant, le déclencheur précis des super éruptions reste un mystère.
Les chercheurs de l’Université d’Uppsala et leurs collègues ont peut-être apporté une réponse à cette question en étudiant des cristaux de quartz de taille millimétrique incrustés dans les cendres et roches volcaniques. Les cristaux de quartz se développent dans le magma et enregistrent les changements chimiques et thermodynamiques avant une éruption, de la même manière que les cernes des troncs d’arbres enregistrent le changement climatique. Le problème réside dans le fait que chaque cristal de quartz présente une taille millimétrique et il est donc extrêmement difficile de l’analyser en détail.
En étudiant les cristaux de quartz du Toba, les chercheurs ont constaté qu’il y avait une différence de composition et de poids entre la partie externe et la partie interne des cristaux. Sur leur partie externe, les cristaux sont plus lourds et contiennent une forme d’oxygène appelée 18O. À l’intérieur, cependant, il y a une forme plus légère appelée 16O. Selon les auteurs de l’étude, le ratio laisse supposer qu’une profonde modification s’est produite dans le système magmatique juste avant la grande éruption. Les chercheurs pensent que lorsque le magma a fondu, il a emporté avec lui un grand volume de roche à proximité contenant le même ratio. Ce type de roche contient aussi souvent beaucoup d’eau qui peut être libérée dans le magma en produisant de la vapeur et donc une pression accrue de gaz à l’intérieur de la chambre magmatique. Cette augmentation rapide de la pression gazeuse a permis finalement au magma de rompre la croûte qui le surmontait et le volcan a envoyé des milliers de kilomètres cubes de lave dans l’atmosphère.
Les chercheurs rappellent que l’éruption du Toba a été si colossale qu’elle a failli anéantir complètement l’humanité. En 1815, le volcan Tambora, sur l’île Sumbawa en Indonésie, a connu la plus grande éruption jamais observée dans les temps historiques, avec un VEI 7. Quelque 100 000 personnes ont péri des suites de l’éruption qui a provoqué un hiver volcanique sur la planète.
Si une éruption comme celle du Tambora se produisait aujourd’hui, elle provoquerait certainement de gros dégâts dans notre société. Je ne suis pas sûr que nous y soyons préparés quand je vois les perturbations que l’éruption que l’Eyjafjallajökull a causées au trafic aérien en 2010. L’éruption islandaise était une broutille comparée à celle du Tambora!
Source: Business Insider.

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drapeau-anglais73,000 years ago, Toba Volcano produced a cataclysmic eruption. The volcano belongs to the category of super volcanoes whose impacts are so huge that they can cause global climate change. It has been estimated that the Toba eruption reached level 8 on the Volcanic Explosivity Index. It covered 2,800 cubic kilometres of the surrounding area in volcanic ash

A group of researchers at Uppsala University and their international colleagues may have worked out what triggers super volcanoes to erupt in a new study published in the journal Scientific Reports.

How exactly the huge amounts of magma emitted during super eruptions are created has been a cause of debate between scientists for a long time. It is admitted that volcanoes erupt because of density and pressure, and generally it is a way that Earth can release excess heat and pressure. Still, the precise trigger has remained a mystery.

The Uppsala University researchers and their colleagues may have found some answers lying in millimetre-sized quartz crystals embedded in the volcanic ash and rock. Quartz crystals grow in magma, and register chemical and thermodynamical changes before an eruption, which is similar to how tree rings record climate change. The problem is that each ‘tree ring’-analogue is millimetre-sized across, which is why they are extremely challenging to analyse in detail.

While studying the quartz from Toba, the researchers found that there was a difference in the composition and weight of the outer part of the crystals compared to the inside. Around the outside the crystals were heavier and contained a form of oxygen called 18O. On the inside, however, there was a lighter form called 16O. According to the study authors, the ratio suggests that something in the magmatic system had changed drastically just before the big eruption. The researchers think that when the magma melted, it took along with it a large volume of a nearby rock which contained the same ratio. This rock type also often contains a lot of water, which may be released into the magma, producing steam, and thereby an increased gas pressure inside the magma chamber. This rapidly increased gas pressure and eventually allowed the magma to rupture the overlying crust, and send thousands of cubic kilometres of magma into the atmosphere.

Researchers remind us that Toba’s eruption was so colossal that it came close to wiping out humanity entirely. In 1815, the Tambora volcano on Sumbawa Island in Indonesia erupted in what is considered the largest ever eruption in recorded history. It was a VEI 7 on the VEI scale, but an estimated 100,000 people died from the effects, and it caused a global volcanic winter.

Should a Tambora eruption occur today, it would certainly cause heavy damage to our society and I’m not sure we are prepared for it when I see the disruption of Eyjafjallajökull caused to air traffic in 2010. The Icelandic eruption was a trifle compared with a Tambora-like event!

Source: Business Insider.

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Simulation des températures et de l’albédo à surface de la Terre après l’éruption du Toba (Source : Goddard Institute for Space Studies).

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Caldeira sommitale du Tambora (Crédit photo : NASA)