La présence de Mg primordial peut expliquer la couche sismique à faible vitesse au sommet du noyau externe de la Terre

Pourquoi le cœur profond de la Terre compte

Bien au‑dessous de nos pieds, à plus de 2 800 kilomètres de profondeur, se trouve le noyau externe liquide de la Terre, cette zone métallique en agitation qui alimente notre champ magnétique et contribue à rendre la planète habitable. Les ondes sismiques issues des séismes révèlent que la partie tout en haut de ce noyau externe transmet le son de façon anormalement lente, formant une couche à faible vitesse mystérieuse connue sous le nom de couche E′. Cet article explore si un élément familier — le magnésium, courant dans les roches de la surface terrestre — a pu glisser dans le noyau pendant la jeunesse violente de la planète et contribuer aujourd’hui à expliquer cette couche cachée et énigmatique.

Une zone anormalement lente au cœur de la Terre

Les sismologues modélisent l’intérieur de la Terre en suivant comment les ondes sismiques accélèrent ou ralentissent en traversant des couches différentes. Les modèles standards, comme le profil PREM largement utilisé, décrivent le noyau externe comme un liquide dense riche en fer, légèrement « allégé » par de faibles quantités d’éléments tels que le silicium, l’oxygène, le soufre, le carbone et l’hydrogène. Mais des modèles sismiques plus récents montrent que, dans les quelques centaines de kilomètres supérieurs du noyau externe, les ondes sonores se déplacent jusqu’à environ 1 % plus lentement que prévu. Les explications existantes ont tenté d’expliquer cela par une stratification chimique du noyau externe, mais tous les éléments « légers » habituels tendent à augmenter la vitesse des ondes dans le fer, et non à la diminuer. Cela a créé un paradoxe : il semblait impossible d’obtenir une couche à la fois assez lente pour correspondre aux données sismiques et suffisamment légère pour rester stratifiée plutôt que de couler.

Tester le magnésium dans du fer liquide

Les auteurs se concentrent sur le magnésium, un élément abondant dans le manteau mais considéré comme rare dans le noyau. Des expériences à haute pression ont suggéré qu’un peu de magnésium pourrait se dissoudre dans le fer en fusion lors des conditions intenses de la formation de la Terre, en particulier pendant l’impact géant qui a formé la Lune. Toutefois, jusqu’à présent, personne n’avait réalisé de calculs robustes sur la manière dont le magnésium modifie la densité et la vitesse du son dans le fer liquide aux pressions et températures extrêmes du noyau externe. En utilisant la dynamique moléculaire de première principe, une méthode de simulation basée sur la mécanique quantique, les chercheurs ont modélisé du fer liquide mélangé à différentes petites quantités de magnésium à des pressions allant jusqu’à 340 gigapascals et des températures atteignant 7 500 kelvins — des conditions correspondant aux profondeurs internes de la Terre.

Comment le magnésium modifie les propriétés du noyau

Les simulations montrent que, lorsque l’on ajoute du magnésium au fer liquide, la densité et la vitesse des ondes de compression (similaires aux ondes sonores) diminuent de façon presque linéaire. L’effet sur la vitesse du son est modeste mais, surtout, il est inverse à celui des autres éléments légers, qui tendent à accélérer les ondes. En combinant leurs nouveaux résultats pour le système fer–magnésium avec des données antérieures pour d’autres éléments légers, les auteurs ont construit des modèles de composition du noyau externe devant simultanément respecter les densités sismiques, les vitesses sismiques et des limites chimiques raisonnables sur les quantités de chaque élément que le noyau peut contenir. Ils ont testé à la fois un noyau externe uniformément mélangé et une structure à deux couches avec une couche supérieure distincte. Dans tous les modèles retenus, la présence de magnésium dans le noyau externe est requise, avec des teneurs typiques comprises entre environ 0,5 et 1,8 pour cent en masse, et particulièrement concentrées dans les quelques centaines de kilomètres les plus externes — précisément là où la couche E′ est observée.

Collisions cosmiques et une coquille riche en magnésium

Ces résultats suggèrent une origine spectaculaire pour la couche E′. Avant la collision qui a formé la Lune, la Terre possédait probablement déjà un noyau de fer liquide contenant du silicium et de l’hydrogène mais relativement peu de magnésium. L’impact géant aurait chauffé des parties de la planète à des températures extrêmes, permettant à un excès de magnésium, ainsi qu’au silicium et à l’oxygène, de se dissoudre dans le métal qui a ensuite coulé vers le noyau existant. Parce que ce métal enrichi en magnésium était relativement plus flottant, il s’est accumulé pour former une coque stratifiée au sommet du noyau externe. Au fil de milliards d’années de refroidissement, certains composants, tels que la silice, l’eau, l’oxyde de fer et peut‑être l’oxyde de magnésium, ont pu cristalliser ou s’exsolver lentement vers le manteau. Il est resté une couche supérieure du noyau externe enrichie en magnésium et quelque peu appauvrie en oxygène — exactement le type de composition qui serait légèrement plus légère et transmettrait les ondes sismiques plus lentement, en accord avec la couche E′.

Ce que cela signifie pour notre planète

Pour un non‑spécialiste, le noyau peut sembler lointain, mais sa composition influence le champ magnétique de la Terre, l’écoulement de chaleur et l’évolution à long terme de la planète. Cette étude montre qu’une quantité relativement faible de magnésium primitif dans le noyau externe peut résoudre une énigme de longue date concernant la couche à faible vitesse E′ sans contredire les contraintes chimiques ou sismiques de base. Elle aide aussi à expliquer pourquoi le manteau silicaté de la Terre est un peu plus pauvre en magnésium que certains météorites primitives, ce qui implique qu’une fraction mesurable du magnésium est enfouie profondément dans le noyau. En termes simples, les auteurs soutiennent que des traces de magnésium, apportées et réarrangées lors de l’impact colossal qui a formé la Lune, ont laissé une fine peau riche en magnésium au sommet du noyau externe — subtile mais suffisamment marquée pour que les ondes sismiques l’identifient à l’échelle de la planète.

Citation: Liu, T., Jing, Z. Presence of primordial Mg can explain the seismic low-velocity layer in the Earth’s outermost outer core. Nat Commun 17, 1886 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68572-4

Mots-clés: Noyau terrestre, magnésium, ondes sismiques, impact géant, composition du noyau externe