La sismologue Jessica Irving, de Princeton, a travaillé avec Wenbo Wu, étudiant alors diplômé, et un autre collaborateur pour déterminer l’aspect du relief en haut et en bas de la zone de transition, sur une couche du manteau, en utilisant des ondes sismiques dispersées. Ils ont constaté que le sommet de la zone de transition, une couche située à 410 kilomètres de profondeur, est en grande partie lisse. Mais la base de la zone de transition, à 660 km de profondeur, est dans certains endroits beaucoup plus rugueuse que la moyenne de la surface globale. « En d’autres termes, une topographie plus forte que celle des Rocheuses ou des Appalaches est présente à la limite des 660 km », a déclaré Wu. REMARQUE : Ce graphique n’est pas à l’échelle. (Image : Kyle McKernan / Bureau des communications)
La plupart des écoliers apprennent que la Terre comporte trois (ou quatre) couches – une croûte, un manteau et un noyau, qui est parfois subdivisé en un noyau interne et externe. Ce n’est pas faux, mais cela laisse de côté plusieurs autres couches que les scientifiques ont identifiées dans la Terre, y compris la zone de transition dans le manteau.
Dans une étude publiée dans Science, les géophysiciens de Princeton, Jessica Irving et Wenbo Wu, en collaboration avec Sidao Ni de l’Institut de géodésie et de géophysique de Chine, ont utilisé les données d’un énorme séisme en Bolivie pour trouver des montagnes et autres topographies sur la base de la zone de transition, une couche de 660 kilomètres (410 miles) qui sépare le manteau supérieur et inférieur. En l’absence d’un nom formel pour cette couche, les chercheurs l’appellent simplement « la limite des 660 km ».
Pour observer les profondeurs de la Terre, les scientifiques utilisent les ondes les plus puissantes de la planète, qui sont générées par de violents séismes. Irving, un professeur adjoint de géosciences, a dit : « Tu souhaites un grand et profond tremblement de terre pour faire trembler la planète entière. » Les grands séismes sont beaucoup plus puissants que les petits – l’énergie augmente de 30 fois à chaque pas sur l’échelle de Richter – et les séismes profonds, « au lieu de gaspiller leur énergie dans la croûte terrestre, peuvent déclencher un mouvement de tout le manteau », dit Irving.
Elle obtient ses meilleures données des tremblements de terre de magnitude 7,0 ou plus, car les ondes de choc qu’ils envoient dans toutes les directions peuvent traverser le noyau jusqu’à l’autre côté de la planète – et inversement. Pour cette étude, les données clés sont issues d’ondes captées après un séisme d’une magnitude de 8,2 – le deuxième plus important séisme jamais enregistré – qui a secoué la Bolivie en 1994, a déclaré Irving : « Les tremblements de terre d’une telle ampleur ne surviennent que rarement. Nous avons la chance aujourd’hui de disposer de beaucoup plus de sismomètres qu’il y a vingt ans. »
« La sismologie a beaucoup évolué ces vingt dernières années, des instruments aux ressources informatiques. » Les sismologues et les chercheurs utilisent de puissants ordinateurs, dont le superordinateur Tiger de Princeton, pour simuler le comportement complexe des ondes de diffusion dans la Terre profonde.
La technologie dépend d’une propriété fondamentale des vagues – leur capacité à se plier et à rebondir. Tout comme les ondes lumineuses peuvent rebondir (réfléchir) sur un miroir ou se courber (réfracter) lorsqu’elles traversent un prisme, les ondes sismiques traversent directement des roches homogènes, mais se réfléchissent ou se réfractent lorsqu’elles rencontrent une limite ou une rugosité.
Wu, l’auteur principal du nouveau journal a dit : « Nous savons que presque tous les objets ont une rugosité de surface et diffusent donc de la lumière. C’est pourquoi nous pouvons voir ces objets - les ondes de diffusion transportent l’information sur la rugosité de la surface. » « Dans cette étude, nous avons étudié les ondes sismiques dispersées se propageant à l’intérieur de la Terre pour restreindre la rugosité de la limite des 660 km de la Terre. »
Les chercheurs ont été surpris de constater à quel point cette frontière est rugueuse – le dénivelé du relief est beaucoup plus important que la couche de surface sur laquelle nous vivons tous. « En d’autres termes, la topographie est plus forte que celle des Rocheuses ou des Appalaches à la limite des 660 km », a déclaré Wu.
Leur modèle statistique ne permettait pas de déterminer l’altitude avec précision, mais il est possible que ces montagnes soient plus grandes que tout ce qui se trouve à la surface de la Terre.
Les chercheurs ont également examiné une couche de 410 kilomètres (255 miles) de profondeur, au sommet de la «zone de transition» au milieu du manteau, et ils n’ont pas trouvé de rugosité similaire. La sismologue Christine Houser, professeure adjointe à l’Institut de technologie de Tokyo qui n’a pas participé à ces recherches, a déclaré : « Ils trouvent que les couches profondes de la Terre sont aussi compliquées que ce que nous observons à la surface. »
« Trouver des variations d’altitude de un à trois km (2 miles) sur une frontière de plus de 660 km (2 miles) de profondeur à l'aide de vagues qui parcourent la Terre entière et vice-versa est une découverte fascinante. » « Leurs conclusions suggèrent qu'à mesure que les tremblements de terre se produisent et que les instruments sismiques deviennent plus performants, nous continuerons à détecter de nouveaux signaux à petite échelle qui révèlent de nouvelles propriétés des couches de la Terre ».
Ce que cela signifie
La présence de la rugosité sur la frontière de 660 km a des implications importantes pour comprendre comment notre planète s’est formée et continue de fonctionner. Cette couche divise le manteau, qui représente environ 84 % du volume de la Terre, en deux parties, la partie supérieure et la partie inférieure. Pendant des années, les géo-scientifiques ont débattu de l’importance de cette frontière.
En particulier, ils ont étudié comment la chaleur circule dans le manteau – si les roches chaudes sont transportées en douceur de la limite noyau-manteau (près de 2 000 miles vers le bas) jusqu’au sommet du manteau, ou si ce transfert est interrompu à cette couche. Certaines données géochimiques et minéralogiques suggèrent que le manteau supérieur et le manteau inférieur sont chimiquement différents, ce qui conforte l’idée que les deux sections ne se mélangent pas sur le plan thermique ou physique.
D’autres observations suggèrent qu’il n’y a pas de différence chimique entre le manteau supérieur et le manteau inférieur, ce qui les amènent à penser à un « manteau équilibré », ou le manteau supérieur et le manteau inférieur participent tous deux au même cycle de transfert thermique.
La sismologue Jessica Irving, de Princeton, a travaillé avec Wenbo Wu, étudiant alors diplômé, et un autre collaborateur pour déterminer l’aspect du relief en haut et en bas de la zone de transition, sur une couche du manteau, en utilisant des ondes sismiques dispersées. Ils ont constaté que le sommet de la zone de transition, une couche située à 410 kilomètres de profondeur, est en grande partie lisse. Mais la base de la zone de transition, à 660 km de profondeur, est dans certains endroits beaucoup plus rugueuse que la moyenne de la surface globale.
Les zones plus lisses de la limite de 660 km pourraient résulter d’un mélange vertical plus poussé, tandis que les zones plus rugueuses et montagneuses peuvent s’être formées là où le manteau supérieur et inférieur ne se mélangent pas aussi bien. De plus, la rugosité constatée par les chercheurs, qui existait à grande, moyenne et petite échelle, pourrait théoriquement être causée par des anomalies thermiques ou des hétérogénéités chimiques.
Mais à cause de la façon dont la chaleur est transportée à l’intérieur du manteau, explique Wu, toute anomalie thermique à petite échelle serait lissée en quelques millions d’années. Cela ne laisse que des différences chimiques pour expliquer la rugosité à petite échelle qu’ils ont trouvée. Qu’est-ce qui pourrait causer des différences chimiques importantes ? L’introduction de roches qui appartenaient à la croûte terrestre et qui reposent maintenant tranquillement dans le manteau.
Les scientifiques débattent depuis longtemps du sort de ces plaques dans le fond marin enfoncées dans le manteau dans les zones de subduction, des collisions qui se produisent dans tout l’océan Pacifique et ailleurs dans le monde. Wu et Irving suggèrent que les vestiges de ces dalles pourraient maintenant se trouver juste au-dessus ou juste au-dessous de la limite des 660 km.
Irving a dit : « Étant donné que nous ne pouvons détecter que les ondes sismiques traversant la Terre dans son état actuel, il est facile de supposer que les sismologues ne peuvent qu’essayer de comprendre comment l’intérieur de la Terre a changé au cours des 4,5 milliards d’années passées. » « Ce qui est passionnant dans ces résultats, c’est qu’ils nous donnent de nouvelles informations pour comprendre ce que deviennent les anciennes plaques tectoniques qui sont descendues dans le manteau, et où d’anciens éléments pourraient encore résider. La sismologie est passionnante quand elle nous permet de mieux comprendre notre planète dans l’espace et le temps. »
Fourni par : Université de Princeton
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