À proximité du noyau terrestre, les zones rocheuses denses sont plus répandues que prévu

structure terre
| Doyeon Kim

Même si les géophysiciens l’étudient depuis des décennies, la Terre réserve encore de nombreuses surprises, et c’est notamment le cas de sa structure interne. Pour étudier l’intérieur de notre planète, les chercheurs analysent la dynamique des ondes sismiques enregistrées par les centaines de sismographes répartis à travers le monde. Et à l’aide d’un algorithme développé initialement pour l’astrophysique galactique, une équipe de géophysiciens a pu analyser simultanément plusieurs sismogrammes et découvrir que des zones géologiques internes spécifiques, appelées zones à ultra-basse vitesse, étaient bien plus étalées et répandues que prévu. Ces résultats importants devraient aider à améliorer les modèles de formation et de dynamique de la Terre.

Des géophysiciens de l’Université du Maryland ont analysé des milliers d’enregistrements d’ondes sismiques pour identifier les échos de la frontière entre le noyau liquide de la Terre et la couche solide du manteau au-dessus. Les échos ont révélé des structures hétérogènes plus répandues — des zones de roches chaudes inhabituellement denses — à la frontière noyau-manteau que celles précédemment connues.

Les chercheurs ne sont pas sûrs de la composition de ces structures et les études antérieures n’en ont fourni qu’une vue limitée. Une meilleure compréhension de leur forme et de leur étendue peut aider à révéler les processus géologiques qui se produisent au plus profond de la Terre. Ces connaissances peuvent fournir des indices sur le fonctionnement de la tectonique des plaques et l’évolution de notre planète.

La nouvelle étude, publiée dans la revue Science, fournit la première vue complète de la frontière noyau-manteau sur une vaste zone avec une résolution aussi détaillée. Les chercheurs se sont concentrés sur les échos des ondes sismiques se déplaçant sous le bassin de l’océan Pacifique. Leur analyse a révélé une structure auparavant inconnue sous les îles volcaniques des Marquises dans le Pacifique Sud et a montré que la structure sous les îles Hawaï est beaucoup plus grande que ce qui était connu auparavant.

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« En examinant des milliers d’échos de frontières noyau-manteau à la fois, au lieu de nous concentrer sur quelques-unes à la fois comme cela se fait habituellement, nous avons obtenu une perspective totalement nouvelle. Cela nous montre que la région frontière noyau-manteau a beaucoup de structures qui peuvent produire ces échos, et c’est quelque chose que nous ne réalisions pas auparavant parce que nous n’avions qu’une vue étroite », explique Doyeon Kim.

Analyser les ondes sismiques pour sonder la structure interne de la Terre

Les tremblements de terre génèrent des ondes sismiques sous la surface de la Terre qui parcourent des milliers de kilomètres. Lorsque les ondes rencontrent des changements de densité, de température ou de composition des roches, elles changent de vitesse, de courbure ou de dispersion, produisant des échos qui peuvent être détectés. Les échos des structures voisines arrivent plus rapidement, tandis que ceux des structures plus grandes sont plus forts.

animations ulvz
Cette animation montre comment des zones denses de roches chaudes, appelées zones ultra-basse vitesse (ULVZ) courent et ralentissent les ondes sismiques. Les sismographes captent ces modifications dans la propagation des ondes et le profil qui en est tiré permet d’obtenir une image de la structure de ces zones. Crédits : Doyeon Kim

En mesurant le temps de déplacement et l’amplitude de ces échos lorsqu’ils arrivent à des sismomètres à différents endroits, les géophysiciens peuvent développer des modèles des propriétés physiques des roches cachées sous la surface. Pour cette étude, Kim et ses collègues ont recherché les échos générés par un type spécifique d’ondes, appelées ondes de cisaillement, lors de leur déplacement le long de la frontière noyau-manteau.

Dans un sismogramme, les échos des ondes de cisaillement diffractées peuvent être difficiles à distinguer du bruit aléatoire. Mais regarder les sismogrammes de plusieurs tremblements de terre à la fois peut révéler des similitudes et des schémas qui identifient les échos cachés dans les données.

L’intelligence artificielle : une aide précieuse dans l’analyse sismologique

À l’aide d’un algorithme d’apprentissage automatique appelé Sequencer, les chercheurs ont analysé 7000 sismogrammes de centaines de tremblements de terre de magnitude 6.5 et plus survenus autour du bassin de l’océan Pacifique de 1990 à 2018.  Sequencer a été développé par des chercheurs de l’université Johns Hopkins et de l’université de Tel Aviv pour trouver des modèles de rayonnement provenant d’étoiles et de galaxies éloignées. Appliqué aux sismogrammes, l’algorithme a découvert un grand nombre d’échos d’ondes de cisaillement.

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animation ondes sismiques
Les séismes (étoiles jaunes) génèrent des ondes sismiques détectées par les sismographes (triangles bleus). Les données analysées permettent ainsi d’obtenir un profil de propagation de ces ondes et de tirer une cartographie des structures internes traversées (zone jaune). Crédits : Doyeon Kim

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« L’apprentissage automatique en sciences de la Terre se développe rapidement et une méthode comme Sequencer nous permet de détecter systématiquement les échos sismiques et d’obtenir de nouvelles informations sur les structures à la base du manteau, qui sont restées largement énigmatiques », indique Kim. L’étude a révélé quelques surprises dans la structure de la frontière noyau-manteau.

« Nous avons trouvé des échos sur environ 40% de tous les trajets d’ondes sismiques. C’était surprenant car nous nous attendions à ce qu’ils soient plus rares, et ce que cela signifie, c’est que les structures anormales à la frontière noyau-manteau sont beaucoup plus répandues qu’on ne le pensait auparavant », explique Vedran Lekic, professeur de géologie à l’UMD.

Des zones ultra-basse vitesse plus étalées et répandues que prévu

Les chercheurs ont découvert que la grande parcelle de matériau très dense et chaud à la frontière noyau-manteau sous Hawaï produisait des échos exceptionnellement forts, ce qui indique qu’elle est encore plus grande que les estimations précédentes. Connues sous le nom de zones à ultra-basse vitesse (ULVZ), ces plaques se trouvent aux racines des panaches volcaniques, où la roche chaude monte de la région limite noyau-manteau pour produire des îles volcaniques. L’ULVZ sous Hawaï est la plus grande connue.

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Les zones ultra-basse vitesse (ULVZ) courbent et ralentissent les ondes sismiques. Crédits : Doyeon Kim

Cette étude a également trouvé une ULVZ auparavant inconnue sous les îles Marquises. « Nous avons été surpris de trouver un élément si important sous les îles Marquises dont nous ignorions même l’existence auparavant. C’est vraiment excitant, car cela montre comment l’algorithme Sequencer peut nous aider à contextualiser les données de sismogramme à travers le monde d’une manière inédite », conclut Lekic.

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Sources : Science

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