Inversion géomagnétique - Geomagnetic reversal

Polarité géomagnétique au cours des 5 derniers millions d'années ( Pliocène et Quaternaire , Cénozoïque supérieur ). Les zones sombres indiquent des périodes où la polarité correspond à la polarité normale d'aujourd'hui ; les zones claires indiquent des périodes où cette polarité est inversée.

Une inversion géomagnétique est un changement dans le champ magnétique d' une planète tel que les positions du nord magnétique et du sud magnétique sont interverties (à ne pas confondre avec le nord géographique et le sud géographique ). La Terre champ de » alterne entre des périodes de la normale polarité, dans laquelle la direction prédominante du champ est la même que la direction actuelle, et inverse la polarité, dans laquelle il est à l'opposé. Ces périodes sont appelées chrons .

Les occurrences d'inversion sont statistiquement aléatoires. Il y a eu 183 inversions au cours des 83 derniers millions d'années (en moyenne une fois tous les ~ 450 000 ans). Le dernier en date, le renversement de Brunhes-Matuyama , s'est produit il y a 780 000 ans, avec des estimations très variables de la rapidité avec laquelle il s'est produit. D'autres sources estiment que le temps qu'il faut pour qu'un renversement se termine est en moyenne d'environ 7 000 ans pour les quatre renversements les plus récents. Clément (2004) suggère que cette durée dépend de la latitude, avec des durées plus courtes aux basses latitudes et des durées plus longues aux latitudes moyennes et élevées. Bien que variable, la durée d'un renversement complet est généralement comprise entre 2 000 et 12 000 ans.

Bien qu'il y ait eu des périodes au cours desquelles le champ s'est inversé globalement (comme l' excursion de Laschamp ) pendant plusieurs centaines d'années, ces événements sont classés comme des excursions plutôt que comme des inversions géomagnétiques complètes. Les chrons à polarité stable présentent souvent de grandes excursions directionnelles rapides, qui se produisent plus souvent que des inversions, et pourraient être considérées comme des inversions ratées. Lors d'une telle excursion, le champ s'inverse dans le noyau externe liquide , mais pas dans le noyau interne solide . La diffusion dans le noyau externe liquide se fait sur des échelles de temps de 500 ans ou moins, tandis que celle du noyau interne solide est plus longue, autour de 3 000 ans.

Histoire

Au début du 20e siècle, des géologues comme Bernard Brunhes ont remarqué pour la première fois que certaines roches volcaniques étaient magnétisées à l'opposé de la direction du champ terrestre local. La première estimation de la synchronisation des inversions magnétiques a été faite par Motonori Matuyama dans les années 1920 ; il a observé que les roches avec des champs inversés étaient toutes du début du Pléistocène ou plus. À l'époque, la polarité de la Terre était mal connue, et la possibilité d'un renversement suscitait peu d'intérêt.

Trois décennies plus tard, lorsque le champ magnétique terrestre a été mieux compris, des théories ont été avancées suggérant que le champ terrestre aurait pu s'inverser dans un passé lointain. La plupart des recherches paléomagnétiques à la fin des années 1950 comprenaient un examen de l'errance des pôles et de la dérive des continents . Bien qu'il ait été découvert que certaines roches inverseraient leur champ magnétique en se refroidissant, il est devenu évident que la plupart des roches volcaniques magnétisées conservaient des traces du champ magnétique terrestre au moment où les roches se sont refroidies. En l'absence de méthodes fiables pour obtenir les âges absolus des roches, on pensait que des inversions se produisaient environ tous les millions d'années.

La prochaine avancée majeure dans la compréhension des inversions est survenue lorsque les techniques de datation radiométrique ont été améliorées dans les années 1950. Allan Cox et Richard Doell , du United States Geological Survey , ont voulu savoir si des inversions se produisaient à intervalles réguliers, et ont invité le géochronologue Brent Dalrymple à rejoindre leur groupe. Ils ont produit la première échelle de temps à polarité magnétique en 1959. Au fur et à mesure qu'ils accumulaient des données, ils ont continué à affiner cette échelle en concurrence avec Don Tarling et Ian McDougall à l' Université nationale australienne . Un groupe dirigé par Neil Opdyke à l' observatoire terrestre de Lamont-Doherty a montré que le même schéma d'inversions a été enregistré dans les sédiments des carottes des grands fonds.

Au cours des années 1950 et 1960, les informations sur les variations du champ magnétique terrestre ont été recueillies en grande partie au moyen de navires de recherche, mais les itinéraires complexes des croisières océaniques ont rendu difficile l'association des données de navigation avec les lectures du magnétomètre . Ce n'est que lorsque les données ont été tracées sur une carte qu'il est devenu évident que des bandes magnétiques remarquablement régulières et continues apparaissaient sur les fonds océaniques.

En 1963, Frederick Vine et Drummond Matthews ont fourni une explication simple en combinant la théorie de propagation du fond marin de Harry Hess avec l'échelle de temps connue des inversions : le nouveau fond marin est magnétisé dans la direction du champ alors actuel. Ainsi, le fond marin s'étendant à partir d'une dorsale centrale produira des paires de bandes magnétiques parallèles à la dorsale. Le canadien LW Morley a proposé indépendamment une explication similaire en janvier 1963, mais son travail a été rejeté par les revues scientifiques Nature et Journal of Geophysical Research , et est resté inédit jusqu'en 1967, date à laquelle il est paru dans le magazine littéraire Saturday Review . L' hypothèse Morley-Vine-Matthews a été le premier test scientifique clé de la théorie de la dérive des continents sur la propagation des fonds marins.

À partir de 1966, les scientifiques de l'Observatoire géologique de Lamont-Doherty ont découvert que les profils magnétiques à travers la dorsale Pacifique-Antarctique étaient symétriques et correspondaient au modèle de la dorsale Reykjanes de l'Atlantique Nord . Les mêmes anomalies magnétiques ont été trouvées sur la plupart des océans du monde, ce qui a permis d'estimer à quel moment la plus grande partie de la croûte océanique s'était développée.

Observer les champs passés

Polarité géomagnétique depuis le Jurassique moyen . Les zones sombres désignent les périodes où la polarité correspond à la polarité d'aujourd'hui, tandis que les zones claires désignent les périodes où cette polarité est inversée. Le superchron normal du Crétacé est visible sous la forme d'une large bande noire ininterrompue près du milieu de l'image.

Les inversions de champ passées peuvent être et ont été enregistrées dans les minéraux ferromagnétiques « congelés » (ou, plus précisément, ferrimagnétiques ) des dépôts sédimentaires consolidés ou des coulées volcaniques refroidies sur terre.

Le record passé d'inversions géomagnétiques a été remarqué pour la première fois en observant les "anomalies" de la bande magnétique au fond de l' océan . Lawrence W. Morley , Frederick John Vine et Drummond Hoyle Matthews ont établi le lien avec l'expansion du fond marin dans l' hypothèse Morley-Vine-Matthews qui a rapidement conduit au développement de la théorie de la tectonique des plaques . La vitesse relativement constante à laquelle le fond marin s'étend entraîne la formation de "rayures" de substrat à partir desquelles la polarité du champ magnétique passé peut être déduite des données recueillies en remorquant un magnétomètre le long du fond marin.

Parce qu'aucun fond marin non subduit (ou fond marin poussé sur les plaques continentales ) n'a plus de 180 millions d'années ( Ma ) environ, d'autres méthodes sont nécessaires pour détecter les inversions plus anciennes. La plupart des roches sédimentaires contiennent d' infimes quantités de minéraux riches en fer , dont l'orientation est influencée par le champ magnétique ambiant au moment où elles se sont formées. Ces roches peuvent conserver un enregistrement du terrain s'il n'est pas effacé par la suite par un changement chimique, physique ou biologique .

Parce que le champ magnétique est globalement cohérent, des modèles similaires de variations magnétiques sur différents sites peuvent être utilisés pour corréler l'âge dans différents endroits. Au cours des quatre dernières décennies, de nombreuses données paléomagnétiques sur l'âge des fonds marins (jusqu'à ~ 250 Ma ) ont été recueillies et sont utiles pour estimer l'âge des sections géologiques. Il ne s'agit pas d'une méthode de datation indépendante, elle dépend de méthodes de datation d'âge "absolues" telles que les systèmes radio-isotopiques pour dériver des âges numériques. Il est devenu particulièrement utile aux géologues métamorphiques et ignés où les fossiles index sont rarement disponibles.

Echelle de temps de polarité géomagnétique

Grâce à l'analyse des anomalies magnétiques du fond marin et à la datation des séquences d'inversion sur terre, les paléomagnétistes ont développé une échelle de temps de polarité géomagnétique (GPTS). L'échelle de temps actuelle contient 184 intervalles de polarité au cours des 83 derniers  millions d'années (et donc 183 inversions).

Changer de fréquence dans le temps

Le taux d'inversion du champ magnétique terrestre a considérablement varié au fil du temps. Il y a 72 millions d'années (Ma) , le champ s'est inversé 5 fois en un million d'années. Dans une période de 4 millions d'années centrée sur 54 Ma , il y a eu 10 inversions ; vers 42 Ma , 17 inversions ont eu lieu en l'espace de 3  millions d'années. Dans une période de 3  millions d'années centrée sur 24 Ma , 13 inversions se sont produites. Pas moins de 51 inversions se sont produites sur une période de 12 millions d'années, centrées sur il y a 15  millions d'années . Deux inversions se sont produites au cours d'une période de 50 000 ans. Ces époques de renversements fréquents ont été contrebalancées par quelques "superchrons" - de longues périodes pendant lesquelles aucun renversement n'a eu lieu.

Superchrons

Un superchron est un intervalle de polarité d'au moins 10  millions d'années. Il existe deux superchrons bien établis, le Crétacé Normal et le Kiaman. Un troisième candidat, le Moyero, est plus controversé. On pensait autrefois que la zone de calme jurassique dans les anomalies magnétiques océaniques représentait un superchron, mais elle est maintenant attribuée à d'autres causes.

Le Crétacé Normal (également appelé Crétacé Superchron ou C34) a duré près de 40  millions d'années, d'environ 120 à 83 millions d'années, y compris les étapes de la période du Crétacé de l' Aptien au Santonien . La fréquence des inversions magnétiques a diminué régulièrement avant la période, atteignant son point bas (pas d'inversions) au cours de la période. Entre le Crétacé Normal et le présent, la fréquence a généralement augmenté lentement.

Le superchron inversé de Kiaman a duré approximativement du Carbonifère supérieur à la fin du Permien , ou pendant plus de 50  millions d'années, il y a environ 312 à 262 millions d'années . Le champ magnétique avait une polarité inversée. Le nom "Kiaman" dérive du village australien de Kiama , où certaines des premières preuves géologiques du superchron ont été trouvées en 1925.

L' Ordovicien est soupçonné d'avoir hébergé un autre superchron, appelé Moyero Reverse Superchron , d'une durée de plus de 20  millions d'années (il y a 485 à 463  millions d'années). Jusqu'à présent, ce possible superchron n'a été trouvé que dans la section de la rivière Moyero au nord du cercle polaire en Sibérie. De plus, les meilleures données d'ailleurs dans le monde ne montrent aucune preuve de ce superchron.

Certaines régions du fond océanique, plus anciennes que 160 Ma , présentent des anomalies magnétiques de faible amplitude difficiles à interpréter. On les trouve au large de la côte est de l'Amérique du Nord, de la côte nord-ouest de l'Afrique et du Pacifique occidental. On pensait autrefois qu'ils représentaient un superchron appelé la zone de calme jurassique , mais des anomalies magnétiques ont été trouvées sur terre au cours de cette période. Le champ géomagnétique est connu pour avoir une faible intensité entre environ 130 Ma et 170 Ma , et ces sections du fond océanique sont particulièrement profondes, ce qui entraîne une atténuation du signal géomagnétique entre le fond marin et la surface.

Propriétés statistiques des inversions

Plusieurs études ont analysé les propriétés statistiques des inversions dans l'espoir d'apprendre quelque chose sur leur mécanisme sous-jacent. Le pouvoir discriminant des tests statistiques est limité par le petit nombre d'intervalles de polarité. Néanmoins, certaines caractéristiques générales sont bien établies. En particulier, le schéma des inversions est aléatoire. Il n'y a pas de corrélation entre les longueurs des intervalles de polarité. Il n'y a aucune préférence pour la polarité normale ou inversée, et aucune différence statistique entre les distributions de ces polarités. Cette absence de biais est également une prédiction robuste de la théorie de la dynamo .

Il n'y a pas de taux de retournements, car ils sont statistiquement aléatoires. Le caractère aléatoire des inversions est incompatible avec la périodicité, mais plusieurs auteurs ont prétendu trouver la périodicité. Cependant, ces résultats sont probablement des artefacts d'une analyse utilisant des fenêtres glissantes pour tenter de déterminer les taux d'inversion.

La plupart des modèles statistiques de renversements les ont analysés en termes de processus de Poisson ou d'autres types de processus de renouvellement . Un processus de Poisson aurait, en moyenne, un taux d'inversion constant, il est donc courant d'utiliser un processus de Poisson non stationnaire. Cependant, par rapport à un processus de Poisson, la probabilité d'inversion est réduite pendant des dizaines de milliers d'années après une inversion. Cela pourrait être dû à une inhibition du mécanisme sous-jacent, ou cela pourrait simplement signifier que certains intervalles de polarité plus courts ont été manqués. Un schéma d'inversion aléatoire avec inhibition peut être représenté par un processus gamma . En 2006, une équipe de physiciens de l' Université de Calabre a découvert que les inversions se conforment également à une distribution de Lévy , qui décrit des processus stochastiques avec des corrélations à long terme entre les événements dans le temps. Les données sont également cohérentes avec un processus déterministe, mais chaotique.

Caractère des transitions

Durée

La plupart des estimations de la durée d'une transition de polarité se situent entre 1 000 et 10 000 ans, mais certaines estimations sont aussi rapides qu'une vie humaine. Des études sur des coulées de lave vieilles de 16,7 millions d'années sur la montagne Steens , dans l'Oregon, indiquent que le champ magnétique terrestre est capable de se déplacer à une vitesse allant jusqu'à 6 degrés par jour. Cela a d'abord rencontré le scepticisme des paléomagnétistes. Même si des changements se produisent aussi rapidement dans le noyau, le manteau, qui est un semi - conducteur , est censé supprimer les variations avec des périodes inférieures à quelques mois. Une variété de mécanismes magnétiques de roche possibles ont été proposés qui conduiraient à un faux signal. Cependant, les études paléomagnétiques d'autres sections de la même région (les basaltes d'inondation du plateau de l'Oregon) donnent des résultats cohérents. Il semble que la transition de polarité inversée à normale qui marque la fin de Chron C5Cr (il y a 16,7  millions d'années ) contienne une série d'inversions et d'excursions. De plus, les géologues Scott Bogue de l'Occidental College et Jonathan Glen de l'US Geological Survey, échantillonnant des coulées de lave à Battle Mountain, Nevada , ont trouvé des preuves d'un bref intervalle de plusieurs années lors d'une inversion lorsque la direction du champ a changé de plus de 50 degrés. Le renversement a été daté d'environ 15  millions d'années. En août 2018, les chercheurs ont signalé un renversement qui n'a duré que 200 ans. Mais un article de 2019 a estimé que le renversement le plus récent, il y a 780 000 ans, a duré 22 000 ans.

Champ magnétique

Le champ magnétique ne disparaîtra pas complètement, mais de nombreux pôles pourraient se former de manière chaotique à différents endroits lors de l'inversion, jusqu'à ce qu'il se stabilise à nouveau.

Causes

Simulation informatique de la NASA utilisant le modèle de Glatzmaier et Roberts. Les tubes représentent les lignes de champ magnétique , bleues lorsque le champ pointe vers le centre et jaune lorsqu'elles sont éloignées. L'axe de rotation de la Terre est centré et vertical. Les amas denses de lignes se trouvent dans le noyau de la Terre.

Le champ magnétique de la Terre, et d'autres planètes qui ont des champs magnétiques, est généré par une action dynamo dans laquelle la convection du fer en fusion dans le noyau planétaire génère des courants électriques qui à leur tour donnent naissance à des champs magnétiques. Dans les simulations de dynamos planétaires, des inversions émergent souvent spontanément de la dynamique sous-jacente. Par exemple, Gary Glatzmaier et son collaborateur Paul Roberts de l' UCLA ont exécuté un modèle numérique du couplage entre l'électromagnétisme et la dynamique des fluides à l'intérieur de la Terre. Leur simulation a reproduit les principales caractéristiques du champ magnétique sur plus de 40 000 ans de temps simulé et le champ généré par ordinateur s'est inversé. Des inversions de champ globales à intervalles irréguliers ont également été observées dans l' expérience de laboratoire sur les métaux liquides "VKS2".

Dans certaines simulations, cela conduit à une instabilité dans laquelle le champ magnétique bascule spontanément dans l'orientation opposée. Ce scénario est étayé par des observations du champ magnétique solaire , qui subit des inversions spontanées tous les 9 à 12 ans. Cependant, avec le Soleil, on observe que l'intensité magnétique solaire augmente fortement lors d'un renversement, alors que les renversements sur Terre semblent se produire pendant les périodes de faible intensité de champ.

Déclencheurs hypothétiques

Certains scientifiques, comme Richard A. Muller , pensent que les inversions géomagnétiques ne sont pas des processus spontanés mais sont plutôt déclenchées par des événements externes qui perturbent directement l'écoulement dans le noyau terrestre. Les propositions incluent des événements d'impact ou des événements internes tels que l'arrivée de plaques continentales entraînées dans le manteau par l'action de la tectonique des plaques au niveau des zones de subduction ou l'initiation de nouveaux panaches mantelliques à partir de la limite noyau-manteau . Les partisans de cette hypothèse soutiennent que n'importe lequel de ces événements pourrait entraîner une perturbation à grande échelle de la dynamo, coupant efficacement le champ géomagnétique. Parce que le champ magnétique est stable dans l'orientation nord-sud actuelle ou dans une orientation inversée, ils proposent que lorsque le champ récupère d'une telle perturbation, il choisit spontanément un état ou l'autre, de sorte que la moitié des récupérations deviennent des inversions. Cependant, le mécanisme proposé ne semble pas fonctionner dans un modèle quantitatif, et la preuve de la stratigraphie d'une corrélation entre les inversions et les événements d'impact est faible. Il n'y a aucune preuve d'un renversement lié à l'événement d'impact qui a causé l' événement d'extinction du Crétacé-Paléogène .

Effets sur la biosphère

Peu de temps après la production des premières échelles de temps de polarité géomagnétique, les scientifiques ont commencé à explorer la possibilité que les inversions puissent être liées à des extinctions . La plupart de ces propositions reposent sur l'hypothèse que le champ magnétique terrestre serait beaucoup plus faible lors des inversions. La première de ces hypothèses était peut-être que des particules de haute énergie piégées dans la ceinture de radiation de Van Allen pourraient être libérées et bombarder la Terre. Des calculs détaillés confirment que si le champ dipolaire de la Terre disparaissait entièrement (en laissant le quadripôle et les composants supérieurs), la majeure partie de l'atmosphère deviendrait accessible aux particules de haute énergie, mais agirait comme une barrière contre elles, et les collisions de rayons cosmiques produiraient un rayonnement secondaire. de béryllium-10 ou de chlore-36 . Une étude allemande de 2012 sur les carottes de glace du Groenland a montré un pic de béryllium-10 lors d'une brève inversion complète il y a 41 000 ans, ce qui a conduit à une chute de l'intensité du champ magnétique à environ 5% de la normale lors de l'inversion. Il existe des preuves que cela se produit à la fois pendant la variation séculaire et pendant les inversions.

Une autre hypothèse de McCormac et Evans suppose que le champ terrestre disparaît entièrement lors des inversions. Ils soutiennent que l'atmosphère de Mars a peut-être été érodée par le vent solaire parce qu'elle n'avait pas de champ magnétique pour la protéger. Ils prédisent que les ions seraient retirés de l'atmosphère terrestre au-dessus de 100 km. Cependant, les mesures de paléointensité montrent que le champ magnétique n'a pas disparu lors des inversions. Sur la base des données de paléointensité des 800 000 dernières années, la magnétopause est toujours estimée à environ trois rayons terrestres lors de l' inversion de Brunhes-Matuyama . Même si le champ magnétique interne disparaissait, le vent solaire peut induire un champ magnétique dans l' ionosphère terrestre suffisant pour protéger la surface des particules énergétiques.

Des hypothèses ont également avancé vers un lien entre les inversions et les extinctions de masse . Beaucoup de ces arguments étaient basés sur une périodicité apparente du taux de renversements, mais des analyses plus minutieuses montrent que l'enregistrement de renversement n'est pas périodique. Il se peut cependant que les extrémités des superchrons aient provoqué une convection vigoureuse conduisant à un volcanisme généralisé, et que les cendres en suspension dans l'air aient provoqué des extinctions.

Les tests de corrélations entre extinctions et inversions sont difficiles pour un certain nombre de raisons. Les grands animaux sont trop rares dans les archives fossiles pour de bonnes statistiques, les paléontologues ont donc analysé les extinctions de microfossiles. Même les données sur les microfossiles peuvent ne pas être fiables s'il y a des lacunes dans les archives fossiles. Il peut apparaître que l'extinction se produit à la fin d'un intervalle de polarité lorsque le reste de cet intervalle de polarité a simplement été érodé. L'analyse statistique ne montre aucune preuve d'une corrélation entre les inversions et les extinctions.

Voir également

• Liste des inversions géomagnétiques , y compris les âges.
• Anomalie magnétique

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes

• Est-il vrai que le champ magnétique terrestre est sur le point de basculer ? physics.org , consulté le 8 janvier 2019