Quand le champ magnétique bascule

Comme on le représente le plus souvent, le champ magnétique terrestre peut être, en première approximation, comparé au champ engendré par un barreau aimanté situé au centre de notre planète. Pour l’essentiel, il s’agit en effet d’un dipôle magnétique dont les deux pôles sont situés aux extrémités d’un axe actuellement incliné de 11,5 degrés par rapport à l’axe de rotation de la Terre. Sa position varie légèrement au cours du temps. Cette partie dipolaire représente environ 90% du champ magnétique total. L’analyse du champ magnétique récent montre que la composante non dipolaire complémentaire (les 10% restants) possède quant à elle une structure plus complexe, et qui évolue rapidement dans le temps (de quelques décennies à un ou deux siècles) en comparaison de la composante dipolaire (de quelques siècles à un millénaire).

Toutefois, la stabilité apparente du dipôle magnétique est illusoire. Une de ses manifestations les plus spectaculaires à l’échelle des temps géologiques est le phénomène des inversions au cours desquelles les pôles magnétiques nord et sud s’échangent mutuellement. Depuis leur découverte par Brunhes il y a plus d’un siècle (1906), les inversions du champ magnétique fascinent et demeurent relativement mystérieuses. Elles se produisent à intervalles irréguliers pouvant varier de 100.000 ans à plusieurs millions d’années. Leur origine est d’abord liée à l’affaiblissement du dipôle qui décroît lentement pendant plusieurs dizaines de milliers d’années, avant de croître dans la direction opposée en quelques millénaires seulement.

La plupart des spécialistes s’accordent pour considérer que, lors de la transition, le champ n’est plus dipolaire et laisse place à un champ non dipolaire complexe et sans doute analogue au champ non dipolaire actuel. Mais en dépit d’efforts acharnés pour reconstituer les variations du champ pendant ces événements très brefs à l’échelle géologique, il n’existe pas encore de vision synthétique du phénomène, en raison des difficultés à trouver des roches capables de l’enregistrer avec fidélité. Pendant longtemps, les sédiments accumulés en continu au fond des océans ont été considérés comme le matériau idéal, mais leur aimantation complexe atténue le signal des variations rapides du champ, notamment celles qui sont liées au champ non dipolaire lors des inversions.

Les coulées volcaniques sont de meilleurs enregistreurs du champ magnétique que les sédiments, mais leur continuité dans le temps fait défaut. Comment suivre les variations passées du champ magnétique en analysant ce type de roches, alors que les éruptions volcaniques se produisent aléatoirement à la surface du globe ? Les chercheurs ont intégré sur une base de temps commune les données issues de 10 séquences de coulées volcaniques superposées. Ils ont alors observé que les variations du champ étaient en concordance lors des inversions enregistrées dans chaque séquence et dont les âges sont distribués entre 0.8 et 180Ma.
En superposant l’ensemble des données de façon cohérente Ils ont ainsi montré que toutes les inversions se sont déroulées suivant le même schéma qui n’a pas changé depuis 180Ma (voir la Figure 1.). Le processus (voir la Figure 2) se déroule en trois phases : un précurseur, le basculement lui-même, et un rebond.

Le précurseur et le rebond sont contrôlés par le champ non dipolaire, leur durée maximale ne dépasse pas 2.5 milliers d’années et la phase de transition elle-même dure au plus un millier d’années. Ce transit extrêmement rapide est la figure majeure du processus qu’il reste à comprendre. Pour les auteurs, il est sans doute associé à d’autres mécanismes que ceux qui régissent la variation séculaire ordinaire du champ non dipolaire. Une telle brièveté explique par ailleurs pourquoi il est très délicat d’obtenir des enregistrements détaillés et fidèles dans les sédiments et remet en cause la plupart des conclusions tirées de ces données. Cette structure dynamique des inversions change notre vision du phénomène et constitue un nouveau défi pour les modèles théoriques et numériques de la dynamo terrestre.

Trajectoires du pôle observées dans les enregistrements volcaniques les plus détaillés. Les données proviennent de séquences de coulées de lave superposées. En orange, representation du noyau avec son envelope liquide où se génère le champ magnétique et la graine solide.

Sources

Dynamical similarity of geomagnetic field reversals,

Jean-Pierre Valet¹, Alexandre Fournier¹, Vincent Courtillot¹, Emilio Herrero‐Bervera2
1-Institut de Physique du Globe de Paris (Sorbonne Paris Cité, Univ Paris Diderot, CNRS)
2-SOEST‐Hawaii Institute of Geophysics and Planetology University of Hawaii at Manoa,