Une inversion géomagnétique désigne un phénomène dans lequel le champ magnétique dipolaire terrestre subit une inversion complète, entraînant l'échange des pôles magnétiques nord et sud ; cela ne doit pas être confondu avec les pôles géographiques. Historiquement, le champ magnétique terrestre a oscillé entre des phases de polarité normale, caractérisée par une direction de champ prédominante cohérente avec l'orientation actuelle, et une polarité inverse, où la direction du champ était inversée. Ces périodes distinctes sont appelées chrons.
L'incidence des inversions géomagnétiques présente un modèle statistiquement aléatoire. Au cours des 83 derniers millions d'années, au moins 183 inversions ont été documentées, soit en moyenne environ un événement tous les 450 000 ans. L'événement le plus récent, connu sous le nom d'inversion Brunhes-Matuyama, s'est produit il y a 780 000 ans, et sa durée temporelle est sujette à diverses estimations. Certaines analyses scientifiques suggèrent que les quatre renversements les plus récents ont duré chacun en moyenne 7 000 ans. Clément (2004) postule une dépendance latitudinale pour cette durée, observant des périodes plus courtes aux latitudes basses et des périodes prolongées aux latitudes moyennes et élevées. À l'inverse, d'autres chercheurs estiment que le processus d'inversion complet s'étend sur 2 000 à 12 000 ans, bien que certaines inversions puissent s'étendre jusqu'à 70 000 ans.
De plus, il existe des cas où le champ magnétique s'est inversé pendant seulement quelques siècles, comme en témoigne l'excursion de Laschamp. De tels événements sont classés comme excursions géomagnétiques, distinctes des inversions géomagnétiques complètes. Les chrons caractérisés par une polarité stable présentent fréquemment des excursions directionnelles importantes et rapides, qui sont plus fréquentes que les inversions complètes et peuvent être interprétées comme des tentatives d'inversion incomplètes. Au cours de ces excursions, le champ magnétique subit une inversion dans le noyau externe liquide, mais reste inchangé dans le noyau interne solide. L'échelle de temps de diffusion dans le noyau externe est d'environ 500 ans ou moins, tandis que dans le noyau interne, elle s'étend sur environ 3 000 ans.
Historique
Au début du XXe siècle, des géologues, dont Bernard Brunhes, ont initialement observé que certaines formations de roches volcaniques présentaient une magnétisation contraire au champ géomagnétique local dominant. Motonori Matuyama a fourni la première preuve systématique et une échelle de temps préliminaire pour les inversions magnétiques à la fin des années 1920, notant que toutes les roches présentant des champs inversés dataient du début du Pléistocène ou avant. Parallèlement, la polarité magnétique de la Terre était mal comprise et le concept d'inversion géomagnétique a attiré peu d'attention scientifique.
Environ trente ans plus tard, avec une meilleure compréhension du champ magnétique terrestre, des théories ont émergé proposant que le champ avait subi des inversions au cours d'époques géologiques anciennes. Une partie importante des recherches paléomagnétiques menées à la fin des années 1950 étaient axées sur l'analyse de l'errance polaire et de la dérive des continents. Alors que certaines roches présentaient une auto-inversion de leur champ magnétique pendant le refroidissement, il est devenu évident que la majorité des roches volcaniques magnétisées conservaient les empreintes du champ magnétique terrestre de la période où elles se refroidissaient en dessous de leur température de Curie. Faute de méthodologies fiables pour la datation absolue des roches, l'hypothèse dominante suggérait que des inversions se produisaient environ tous les millions d'années.
Une avancée significative dans la compréhension des inversions géomagnétiques s'est produite avec le raffinement des techniques de datation radiométrique au cours des années 1950. Allan Cox et Richard Doell, affiliés au United States Geological Survey, ont cherché à déterminer la périodicité des inversions et ont par conséquent invité le géochronologue Brent Dalrymple à collaborer avec leur équipe. En 1959, cet effort de collaboration a donné naissance à la première échelle de temps de polarité magnétique. Grâce à l'acquisition continue de données, ils ont progressivement affiné cette échelle de temps, parallèlement aux recherches menées par Don Tarling et Ian McDougall à l'Université nationale australienne. En outre, un collectif de recherche dirigé par Neil Opdyke de l'Observatoire terrestre de Lamont-Doherty a démontré qu'un schéma d'inversion identique était préservé dans les sédiments des grands fonds marins.
Tout au long des années 1950 et 1960, les données concernant les fluctuations du champ magnétique terrestre étaient principalement collectées via des navires de recherche ; cependant, les trajectoires complexes des expéditions océaniques compliquaient la corrélation des informations de navigation avec les mesures du magnétomètre. Ce n'est que sur la représentation cartographique de ces données que la présence de bandes magnétiques notamment régulières et continues sur les fonds océaniques est devenue évidente.
En 1963, Frederick Vine et Drummond Matthews ont proposé une explication simple en intégrant la théorie de l'expansion des fonds marins de Harry Hess à l'échelle de temps établie des inversions géomagnétiques : la croûte océanique acquiert une magnétisation alignée avec le champ magnétique dominant au moment de sa formation. Par conséquent, le processus d’expansion du fond marin provenant d’une dorsale océanique centrale génère des paires symétriques de bandes magnétiques parallèles à l’axe de la dorsale. Le Canadien L. W. Morley a avancé indépendamment une hypothèse comparable en janvier 1963, mais son manuscrit a été refusé par les périodiques scientifiques Nature et Journal of Geophysical Research, et est donc resté inédit jusqu'en 1967, date à laquelle il a été présenté dans la publication littéraire Saturday Review. Cette hypothèse de Morley-Vine-Matthews représentait la validation scientifique initiale cruciale de la composante d'expansion du fond marin de la théorie de la dérive des continents.
Les preuves d'anciennes inversions du champ géomagnétique sont préservées dans les minéraux ferrimagnétiques solidifiés trouvés dans les strates sédimentaires consolidées ou les extrusions volcaniques terrestres refroidies. À partir de 1966, des chercheurs de l'Observatoire géologique de Lamont-Doherty ont observé que les profils magnétiques couvrant la dorsale Pacifique-Antarctique présentaient une symétrie, reflétant le motif identifié le long de la dorsale de Reykjanes dans l'Atlantique Nord. Ces anomalies magnétiques identiques ont ensuite été détectées dans la majorité des océans du monde, permettant des estimations sur la chronologie de formation de la plupart des croûtes océaniques.
Méthodes d'observation des champs magnétiques anciens
Étant donné qu'aucune croûte océanique non subductée existante (ou croûte océanique obductée mise en place sur des plaques continentales) ne dépasse environ 180 millions d'années (Ma), des méthodologies alternatives sont indispensables pour identifier les inversions géomagnétiques plus anciennes. La majorité des roches sédimentaires contiennent des traces de minéraux riches en fer, dont l'orientation est dictée par le champ magnétique ambiant présent lors de leur formation. De telles roches sont capables de conserver un enregistrement de l'ancien champ magnétique, à condition que cet enregistrement ne soit pas ensuite effacé par une altération chimique, physique ou biologique.
Le champ magnétique terrestre fonctionnant comme un phénomène global, des modèles analogues de variations magnétiques observés à des endroits disparates peuvent être utilisés pour faciliter la détermination de l'âge dans diverses régions géographiques. Les données paléomagnétiques concernant l'âge des fonds marins, accumulées au cours des quatre dernières décennies (s'étendant jusqu'à environ 250 Ma), se sont révélées essentielles à l'estimation de la chronologie des coupes géologiques dans d'autres régions. Bien qu'il ne s'agisse pas d'une technique de datation autonome, son efficacité repose sur des méthodes géochronologiques « absolues », telles que les systèmes radio-isotopiques, pour la dérivation d'âges numériques. Cette méthode s'est révélée particulièrement utile dans l'étude des formations rocheuses métamorphiques et ignées, des environnements où les fossiles index sont rarement rencontrés.
L'échelle de temps de la polarité géomagnétique
En analysant les anomalies magnétiques des fonds marins et en datant les séquences d'inversion terrestres, les paléomagnétistes ont progressivement construit une Échelle de temps de polarité géomagnétique. L'itération contemporaine de cette échelle de temps englobe 184 intervalles de polarité distincts au cours des 83 millions d'années écoulées, ce qui correspond à 183 inversions géomagnétiques.
Variations temporelles de la fréquence d'inversion
La fréquence des inversions du champ magnétique terrestre a montré une variabilité temporelle substantielle. Il y a environ 72 Ma, le champ géomagnétique a subi cinq inversions au cours d'un seul intervalle d'un million d'années. Au cours d'une époque de 4 millions d'années centrée à 54 Ma, dix inversions ont été enregistrées ; par la suite, vers 42 Ma, dix-sept inversions se sont produites sur une durée de 3 millions d'années. Treize autres inversions se sont manifestées dans un intervalle de 3 millions d'années centrées à 24 Ma. Au moins 51 inversions ont été documentées sur une période de 12 millions d'années, centrées à 15 Ma. Notamment, deux renversements se sont produits sur une période de seulement 50 000 ans. Ces épisodes d'inversions fréquentes ont été compensés par plusieurs « superchrons », qui sont des intervalles prolongés caractérisés par l'absence totale d'inversions géomagnétiques.
Superchrons géomagnétiques
Un superchron est défini comme un intervalle de polarité s'étendant sur un minimum de 10 millions d'années. Deux de ces superchrons sont largement reconnus : le superchron normal du Crétacé et le superchron Kiaman. Un troisième candidat potentiel, le Moyero Superchron, reste un sujet de débat scientifique plus approfondi. La zone calme du Jurassique, caractérisée par l'absence d'anomalies magnétiques dans la croûte océanique, était autrefois considérée comme un superchron, mais elle est actuellement attribuée à des processus géologiques alternatifs.
Le Superchron normal du Crétacé (également appelé Superchron du Crétacé ou C34) a persisté pendant 37 millions d'années, s'étendant sur environ 120 à 83 millions d'années. il y a, et englobant les étapes de la période du Crétacé, de l'Aptien au Santonien. Avant cet intervalle, la fréquence des inversions géomagnétiques a progressivement diminué, atteignant son nadir (absence totale d'inversions) dans tout le superchron lui-même. Après le Superchron Normal du Crétacé et jusqu'à nos jours, la fréquence d'inversion a généralement montré une augmentation progressive.
Le Superchron inversé de Kiaman s'est étendu de la fin du Carbonifère à la fin du Permien, s'étendant sur plus de 50 millions d'années, plus précisément d'il y a environ 312 à 262 millions d'années. Durant cet intervalle, le champ magnétique terrestre présentait une polarité inversée. La désignation "Kiaman" vient de la ville australienne de Kiama, où les premières preuves géologiques de ce superchron ont été identifiées en 1925.
On suppose que la période ordovicienne a englobé un autre superchron, appelé Superchron inversé Moyero, qui a persisté pendant plus de 20 millions d'années (il y a 485 à 463 millions d'années). À ce jour, ce superchron potentiel a été identifié exclusivement dans la section de la rivière Moyero, située au nord du cercle polaire en Sibérie. De plus, des ensembles de données mondiaux complets ne corroborent pas l’existence de ce superchron. Des régions spécifiques du fond océanique, antérieures à 160 Ma, présentent des anomalies magnétiques de faible amplitude qui présentent des défis d'interprétation. Ces régions sont situées au large de la côte est de l’Amérique du Nord, de la côte nord-ouest de l’Afrique et dans le Pacifique occidental. Bien que précédemment considérées comme indicatives d'un superchron connu sous le nom de Zone calme jurassique, des découvertes ultérieures révèlent la présence d'anomalies magnétiques sur terre au cours de cette époque. Le champ géomagnétique est reconnu pour son intensité diminuée entre environ 130 Ma et 170 Ma. De plus, la profondeur exceptionnelle de ces sections de fonds océaniques contribue à l'atténuation du signal géomagnétique entre le fond marin et la surface.
Propriétés statistiques
De nombreuses recherches ont examiné les caractéristiques statistiques des inversions géomagnétiques, dans le but d'élucider leurs mécanismes fondamentaux. Cependant, la capacité discriminante des analyses statistiques est limitée par la quantité limitée d’intervalles de polarité disponibles. Malgré cette limitation, plusieurs caractéristiques globales sont fermement établies. Plus précisément, le schéma d’inversion observé démontre le caractère aléatoire. Aucune corrélation n'existe entre les durées des intervalles de polarité successifs. De plus, il n’existe aucune préférence inhérente pour une polarité normale ou inversée, ni aucune disparité statistiquement significative entre leurs modèles de distribution respectifs. Cette absence de biais constitue une prédiction robuste dérivée de la théorie de la dynamo.
Compte tenu de leur nature statistiquement aléatoire, les inversions géomagnétiques ne présentent pas de taux quantifiable. Le caractère aléatoire inhérent à ces inversions contredit toute notion de périodicité, bien que certains chercheurs aient affirmé la découverte de modèles périodiques. Néanmoins, ces résultats sont probablement des artefacts méthodologiques résultant d'analyses employant des fenêtres glissantes pour estimer les fréquences d'inversion.
La majorité des modèles statistiques concernant les inversions géomagnétiques les ont conceptualisés comme des processus de Poisson ou d'autres formes de processus de renouvellement. Alors qu'un processus de Poisson standard implique un taux d'inversion moyen constant, des processus de Poisson non stationnaires sont fréquemment utilisés pour tenir compte des variations. Néanmoins, contrairement à un processus de Poisson, une probabilité réduite d’inversion est observée pendant des dizaines de milliers d’années après un événement d’inversion. Ce phénomène peut indiquer un facteur inhibiteur au sein du mécanisme sous-jacent ou potentiellement signifier l'omission de certains intervalles de polarité plus courts dans les données. Un modèle d'inversion aléatoire caractérisé par une inhibition peut être modélisé efficacement à l'aide d'un processus gamma. En 2006, des chercheurs de l'Université de Calabre ont déterminé que ces inversions s'alignent également sur une distribution de Lévy, qui caractérise les processus stochastiques présentant des corrélations temporelles à longue portée entre les événements. De plus, les données empiriques sont compatibles avec un processus déterministe mais chaotique.
Caractéristiques des transitions
Durée
La majorité des estimations de la durée d'une transition de polarité vont de 1 000 à 10 000 ans, bien que certaines évaluations suggèrent des durées aussi brèves que la durée de vie d'un être humain. Lors d’une telle transition, le champ magnétique ne se dissipe pas entièrement. Au lieu de cela, plusieurs pôles peuvent émerger de manière chaotique à divers endroits tout au long du processus d'inversion, avant la stabilisation éventuelle du champ.
Des recherches sur des coulées de lave vieilles de 16,7 millions d'années provenant de Steens Mountain, dans l'Oregon, suggèrent que le champ magnétique terrestre peut varier jusqu'à 6 degrés par jour. Cette découverte a d’abord suscité le scepticisme des paléomagnétistes. Même si des changements aussi rapides proviennent du noyau, le manteau, agissant comme un semi-conducteur, filtrerait les variations se produisant sur des périodes inférieures à quelques mois. Divers mécanismes magnétiques rocheux ont été proposés comme sources potentielles d'un signal parasite. Néanmoins, des études paléomagnétiques sur d'autres sections de la même région de basaltes d'inondation du plateau de l'Oregon ont donné des résultats corroborants. Il semble que la transition de polarité inversée vers la normale, qui signifie la conclusion de Chron C5Cr (il y a 16,7 millions d'années), englobe de multiples inversions et excursions. De plus, les géologues Scott Bogue (Occidental College) et Jonathan Glen (US Geological Survey), en échantillonnant des coulées de lave à Battle Mountain, dans le Nevada, ont identifié des preuves d'un bref intervalle de plusieurs années au cours d'un renversement où la direction du champ a été modifiée de plus de 50 degrés. Ce renversement spécifique était daté d’il y a environ 15 millions d’années. En 2018, les scientifiques ont documenté un renversement qui n’a duré que 200 ans. Une étude ultérieure de 2019 a estimé que le renversement le plus récent, survenu il y a 780 000 ans, s'est étendu sur 22 000 ans.
Causes
Les champs magnétiques de la Terre et d'autres planètes sont produits par un processus dynamo, dans lequel la convection du fer en fusion dans le noyau planétaire génère des courants électriques, qui créent ensuite des champs magnétiques. Dans les simulations de dynamos planétaires, les inversions surviennent fréquemment spontanément en raison de la dynamique inhérente. Par exemple, Gary Glatzmaier et Paul Roberts (UCLA) ont développé un modèle numérique illustrant l'interaction entre l'électromagnétisme et la dynamique des fluides à l'intérieur de la Terre. Leur simulation a réussi à reproduire les caractéristiques essentielles du champ magnétique sur plus de 40 000 ans de temps simulé, y compris une auto-inversion du champ généré par ordinateur. De plus, des inversions globales de champ se produisant à intervalles irréguliers ont été observées dans l'expérience sur les métaux liquides du laboratoire "VKS2".
Certaines simulations démontrent que ce processus peut conduire à une instabilité, provoquant une inversion spontanée de l'orientation du champ magnétique. Cette hypothèse est corroborée par les observations du champ magnétique solaire, qui connaît des inversions spontanées tous les 9 à 12 ans. Une distinction notable est que l'intensité magnétique solaire augmente de manière significative lors d'une inversion, alors que les inversions terrestres semblent coïncider avec des périodes d'intensité de champ diminuée.
À l'inverse, certains scientifiques, dont Richard A. Muller, postulent que les inversions géomagnétiques ne sont pas des phénomènes spontanés mais sont plutôt initiées par des événements externes qui interfèrent directement avec le flux au sein du noyau terrestre. Les déclencheurs proposés englobent des événements d'impact ou des processus géologiques internes, tels que la descente de dalles continentales dans le manteau via la tectonique des plaques au niveau des zones de subduction, ou l'émergence de nouveaux panaches du manteau à partir de la limite noyau-manteau. Les partisans de cette hypothèse soutiennent que n’importe lequel de ces événements pourrait induire une perturbation substantielle de la géodynamo, désactivant ainsi le champ géomagnétique. Étant donné que le champ magnétique est stable à la fois dans son orientation nord-sud actuelle et dans un état inversé, ils suggèrent que lors de la récupération d'une telle perturbation, le champ adopte spontanément une orientation ou une autre, ce qui fait qu'environ la moitié de ces récupérations deviennent des inversions. Cependant, ce mécanisme proposé manque de soutien dans les modèles quantitatifs, et les preuves stratigraphiques d'une corrélation entre les renversements et les événements d'impact restent ténues. Notamment, il n'existe aucune preuve reliant un renversement géomagnétique à l'événement d'impact responsable de l'extinction du Crétacé-Paléogène.
Effets sur la biosphère
Suite au développement des échelles de temps initiales de polarité géomagnétique, les scientifiques ont étudié les liens potentiels entre les inversions et les événements d'extinction. Les hypothèses initiales postulaient fréquemment un caractère périodique des taux de retournement ; cependant, des analyses rigoureuses ultérieures ont démontré l’absence d’une telle périodicité dans l’enregistrement de contre-passation. Un mécanisme proposé suggère que la terminaison des superchrons pourrait induire une convection intense du manteau, entraînant un volcanisme étendu, les cendres atmosphériques qui en résulteraient pouvant potentiellement déclencher des événements d'extinction. L'établissement de corrélations entre les événements d'extinction et les inversions géomagnétiques présente plusieurs défis méthodologiques. La rareté de la macrofaune dans les archives fossiles empêche une analyse statistique robuste, ce qui incite les paléontologues à se concentrer sur les extinctions de microfossiles. Néanmoins, les données microfossiles peuvent être compromises par des hiatus stratigraphiques. De tels écarts peuvent créer une impression erronée selon laquelle une extinction coïncide avec la fin d’un intervalle de polarité, alors qu’en réalité, le reste de cet intervalle a été perdu à cause de l’érosion. Dans l'ensemble, les analyses statistiques n'ont fourni aucune preuve concluante étayant une corrélation directe entre les inversions géomagnétiques et les événements d'extinction.
La majorité des hypothèses liant les inversions géomagnétiques aux événements d'extinction postulent un affaiblissement significatif du champ magnétique terrestre pendant de telles périodes. Une première hypothèse suggérait que des particules de haute énergie, généralement confinées dans les ceintures de rayonnement de Van Allen, pourraient être libérées et impacter la surface de la Terre. Des calculs complets indiquent qu'une disparition complète du champ dipolaire terrestre (ne laissant que des composants quadripolaires et d'ordre supérieur) rendrait une grande partie de l'atmosphère vulnérable aux particules de haute énergie ; cependant, l’atmosphère elle-même servirait de bouclier protecteur, les interactions des rayons cosmiques générant des rayonnements secondaires tels que le béryllium-10 ou le chlore-36. Une enquête allemande réalisée en 2012 sur des carottes de glace du Groenland a identifié un pic de concentrations de béryllium-10 lors d'un bref et complet renversement il y a environ 41 000 ans, période au cours de laquelle on estime que l'intensité du champ magnétique a diminué à seulement 5 % de son intensité typique. Ce phénomène a été observé à la fois lors de variations séculaires et d'inversions géomagnétiques complètes.
McCormac et Evans ont proposé une hypothèse postulant la disparition complète du champ magnétique terrestre lors d'événements d'inversion. Ils ont soutenu que l’atmosphère martienne aurait pu être détruite par le vent solaire en raison de l’absence d’un champ magnétique protecteur global. Par conséquent, ils ont prédit que les ions seraient éliminés de la haute atmosphère terrestre, en particulier au-dessus de 100 km d’altitude. Cependant, les mesures de paléointensité contredisent cela, indiquant que le champ magnétique ne disparaît pas entièrement lors des inversions. L'analyse des données de paléointensité couvrant les 800 000 dernières années suggère que la magnétopause a maintenu une distance approximative de trois rayons terrestres même pendant l'inversion Brunhes-Matuyama. De plus, même dans le scénario hypothétique d'un effondrement du champ magnétique interne, le vent solaire est capable d'induire un champ magnétique au sein de l'ionosphère terrestre, fournissant ainsi une protection adéquate à la surface contre les particules énergétiques.
Liste des inversions géomagnétiques, y compris les âges
- Liste des inversions géomagnétiques, y compris les âges
- Anomalie magnétique
Références
- Enquête : Le champ magnétique terrestre risque-t-il d'être inversé ? physics.org, consulté le 8 janvier 2019.
- Inversions des pôles géomagnétiques : un phénomène géologique récurrent NASA, récupéré le 1er mars 2022.