Le champ magnétique terrestre s’est déjà inversé plus de 540 fois et il s’inversera à nouveau

Le champ magnétique terrestre (CMT) existe depuis au moins 4.2 Ga. Il est assimilable à un dipôle aimanté, avec des pôles magnétiques nord et sud, qui serait situé au centre de la Terre. La géodynamo est un modèle physique expliquant la formation du CMT par l’induction électromagnétique produite par les mouvements de convection du fer et du nickel liquide en fusion dans le noyau externe de la Terre. L’axe du dipôle magnétique présente un angle d’environ 11.5° par rapport à l’axe de rotation de la Terre. 

Dans la configuration actuelle, les « lignes de force » du CMT entrent dans la Terre dans l’hémisphère nord et en sortent dans l’hémisphère sud (Photo 1). Cette configuration actuelle est dite de polarité normale et a alterné de nombreuses fois au cours des temps géologiques, depuis au moins 3.5 Ga, avec une polarité dite inverse où le pôle nord devient le pôle sud, et le pôle sud le pôle nord. La plus récente de ces inversions de polarité a eu lieu il y a environ 790000 ans. 

Photo 1 : Simulation du champ magnétique terrestre (configuration actuelle = polarité normale)
Crédit : Petrovich12, Fotolia

Ces inversions de polarité sont enregistrées dans les archives géologiques, volcaniques et sédimentaires, par le biais des minéraux magnétiques qu’elles contiennent et qui s’orientent selon la direction du CMT au moment de la formation de la roche. La configuration du CMT au cours des phases de transition entre les deux polarités est cependant encore mal connue, et fait l’objet de recherches depuis des décennies. En particulier, les durées de ces phases de transition ainsi que la modalité de l’évolution du CMT pendant ces transitions sont très peu étudiées. Seules 7 inversions du CMT sur environ 540 documentées pour les ~170 derniers millions d’années (Ma), représentant seulement 1,3%, ont pu être analysées pour explorer le comportement de la géodynamo lors des transitions. L’étude des caractéristiques (direction et intensité) du CMT au cours de ses inversions apporterait de fortes contraintes sur la compréhension du comportement de la géodynamo, mais aussi sur de potentielles périodes de déclin de la biodiversité. En effet, l’intensité du CMT s’affaiblit pendant les transitions, fragilisant ainsi la magnétosphère qui constitue un bouclier terrestre contre les particules nocives provenant des rayonnements cosmiques et solaires. Une longue durée de transition implique un long temps d'exposition de la biosphère aux particules cosmiques à haute-énergie, pouvant ainsi causer une chute de la biodiversité. 

La rareté des enregistrements géologiques permettant d’analyser la configuration du CMT lors des transitions est en partie due à leurs courtes durées, de l’ordre de 10 ka (1 ka = 1000 ans) d’après les rares observations géologiques. Ces transitions relativement brèves ne peuvent être détectées que dans des enregistrements géologiques particuliers à haute résolution, tels que des séries sédimentaires à forts taux de sédimentation. De même, les données de datation classique (e.g., radio-isotopiques) permettant de dater les inversions de polarite et surtout d’estimer leurs durées ne sont pas assez nombreuses et de haute résolution pour estimer précisément les durées des transitions de polarité. 

Pendant la compagne océanographique IODP342 au large de Terre Neuve, dévolue à l’étude des variations climatiques au cours de l’Eocène, époque géologique connue par ses bouleversements climatiques et biogéochimiques extrêmes, des analyses paléomagnétiques préliminaires à bord, complétées par un échantillonnage et des analyses à très haute résolution (Photo 2) au laboratoire Marine Core Research Institute  (Kochi University, Japon) ont permis d’extraire fidèlement les propriétés magnétiques de sédiments éocènes, mettrant en évidence des nettes transitions de polarité du CMT.   

Photo 2 : Echantillonnage orienté, continu et à très haute résolution (2 cm = largeur de la boite) effectué à bord de JOIDES Resolution pendant l’expédition IODP342. A gauche : Yuhji Yamamoto (Kochi University, Japon), à droite : Slah Boulila (ISTEP, UMR 7193). 

Crédit : IODP (International Ocean Discovery Program).

Une autre propriété de ces sédiments éocènes est leur enregistrement des variations paléoclimatiques cycliques, exprimées sous forme d’alternances lithologiques prononcées entre des vases à nannofossiles calcaires riches en foraminifères planctoniques de couleur beige à blanc, et d’argiles de couleur grisâtre pauvres en foraminifères planctoniques (Figure 1). Ces rythmes paléoclimatiques ont été formés sous la dépendance des paramètres orbitaux de la Terre, permettant de fournir aux inversions magnétiques un cadre temporel très précis, de l’ordre de quelques milliers d’années. En particulier, l’enregistrement des variations de la longue obliquité de l’axe de la Terre de 173 ka, issue de la modulation des composantes de la courte obliquité (40 ka) a été utilisée comme géo-chronomètre astronomiquement stable pour calibrer avec précision la chronologie des séries sédimentaires éocènes IODP342 et donc des inversions de polarité magnétique associées (Figure 2).

Figure 1 : Cycles sédimentaires dans les séries éocènes des forages IODP342, formés sous la dépendance des paramètres orbitaux de la Terre, et utilisés pour estimer les durées des transitions de polarité du CMT. A gauche : photo de carottes de sédiments montrant les rythmes lithologiques (blanc : carbonate de calcium produit par les nannofossiles calcaires et les foraminifères planctoniques, gris : argiles). A droite : Variations d’un proxy physique (gamma ray) détectant les cycles lithologiques observés.

Crédit : IODP (International Ocean Discovery Program).

Nous avons ainsi mené une étude de stratigraphie intégrée (bio-cyclo-magnétostratigraphique) afin de mettre en évidence les inversions du CMT et d’estimer leurs durées (Figures 1 et 2). Nos résultats montrent en détail deux transitions, entre les magnétochrones C18n.2n et C18n.1r, et entre les magnétochrones C18n.1r et C18n.1n, calibrées respectivement à 18 ±3 ka et 70 ±6 ka (Figure 2). Ces durées sont beaucoup plus longues que celles de 10 ka, rapportées dans les rares travaux antérieurs sur d’autres époques géologiques, principalement sur les derniers 17 Ma. De plus, cette durée de 10 ka était supposée constante et la même pour toutes les inversions connues du CMT.

Figure 2 : Différentes phases d’inversions du champ magnétique terrestre (CMT) exceptionnellement enregistrées dans une série sédimentaire d’âge Eocène, il y a environ 40 millions d’années (Ma), à partir des forages océaniques profonds IODP (International Ocean Discovery Program 342). Les cercles roses représentent les échantillons prélevés à haute résolution des carottes de sédiments (voir photo d’échantillonnage).

Les durées de transitions de polarité magnétique observées à l’Eocène ont ensuite été comparées à un modèle numérique de la géodynamo indépendant des observations, qui considère à la fois les variations du CMT et les durées de transitions (160 inversions théoriques ont été analysées). Les résultats du modèle montrent que les transitions pourraient avoir des durées très variables allant jusqu’à 170 ka, confirmant ainsi les longues et variables durées de 18 et 70 ka observées à l’Eocène. Le modèle montre aussi qu’il n’existe pas un motif ou un pattern commun des variations du CMT à toutes les transitions, tel que suggéré dans les travaux antérieurs. Le modèle montre cependant des variations très différentes du CMT entre les 160 transitions simulées, suggérant un comportement chaotique intrinsèque de la géodynamo (voir l’article complet, Yamamoto et al., 2026).    

Cette étude ouvre des perspectives de recherche visant à mieux comprendre la dynamique de la géodynamo à partir de l’estimation des durées de transitions de polarité du CMT par des approches intégrées bio-magnétostratigraphiques et cyclostratigraphiques à très haute résolution dans des archives sédimentaires à forts taux de sédimentation, et d’explorer le potentiel lien entre CMT faible lors des transitions prolongées et chute de biodiversité.

Pour en savoir plus

Yamamoto, Y., Boulila, S., Takahashi, F., & Lippert, P. C. (2026). Extraordinarily long duration of Eocene geomagnetic polarity reversals. Communications Earth & Environment, 7(1), 180. https://doi.org/10.1038/s43247-026-03205-8

Laboratoire CNRS impliqué

Institut des sciences de la Terre de Paris (ISTeP- Osu ECCE-TERRA) UMR 7193. Tutelles : CNRS / Sorbonne Université