Tous les écoliers savent que la planète Terre est divisée en trois (ou quatre) grandes couches : la croûte, le manteau et le noyau. Cela est généralement vrai, même si cette généralisation ne prend pas en compte plusieurs couches supplémentaires identifiées par les scientifiques, parmi lesquelles, par exemple, la couche de transition au sein du manteau.
Dans une étude publiée le 15 février 2019, la géophysicienne Jessica Irving et l'étudiant à la maîtrise Wenbo Wu de l'Université de Princeton, en collaboration avec Sidao Ni de l'Institut géodésique et géophysique de Chine, ont utilisé les données obtenues lors du puissant tremblement de terre de 1994 en Bolivie pour trouver les montagnes. et d'autres caractéristiques topographiques à la surface de la zone de transition au plus profond du manteau. Cette couche, située à 660 kilomètres sous terre, sépare le manteau supérieur et inférieur (sans nom formel pour cette couche, les chercheurs l'ont simplement appelée la « limite des 660 kilomètres »).
Afin de « regarder » aussi profondément sous terre, les scientifiques ont utilisé les ondes les plus puissantes de la planète, provoquées par de forts tremblements de terre. "Il faut un séisme puissant et profond pour secouer la planète", a déclaré Jessica Irving, professeur adjoint de géosciences.
Les grands tremblements de terre sont beaucoup plus puissants que les tremblements de terre ordinaires, dont l'énergie est multipliée par 30 à chaque échelon supplémentaire sur l'échelle de Richter. Irving obtient ses meilleures données sur les tremblements de terre d'une magnitude de 7.0 et plus, car les ondes sismiques émises par des séismes aussi importants se propagent dans différentes directions et peuvent traverser le noyau jusqu'à l'autre côté de la planète et vice-versa. Pour cette étude, les données clés provenaient des ondes sismiques enregistrées lors d’un séisme de magnitude 8.3 – le deuxième tremblement de terre le plus profond jamais enregistré par les géologues – qui a secoué la Bolivie en 1994.
« Des tremblements de terre de cette ampleur ne se produisent pas souvent. Nous avons la chance qu’il y ait aujourd’hui beaucoup plus de sismomètres installés dans le monde qu’il y a 20 ans. La sismologie a également beaucoup évolué au cours des 20 dernières années, grâce aux nouveaux instruments et à la puissance des ordinateurs.
Les sismologues et les data scientists utilisent des supercalculateurs, tels que le supercalculateur Tiger cluster de Princeton, pour simuler le comportement complexe de la diffusion des ondes sismiques dans les profondeurs souterraines.
Les technologies reposent sur les propriétés fondamentales des ondes : leur capacité à être réfléchies et réfractées. Tout comme les ondes lumineuses peuvent rebondir (réfléchir) sur un miroir ou se plier (réfracter) lorsqu'elles traversent un prisme, les ondes sismiques traversent des roches homogènes mais sont réfléchies ou réfractées lorsqu'elles rencontrent des surfaces rugueuses sur leur passage.
"Nous savons que presque tous les objets ont des surfaces inégales et peuvent donc diffuser la lumière", a déclaré Wenbo Wu, l'auteur principal de l'étude, qui a récemment obtenu un doctorat en géonomie et poursuit actuellement une bourse postdoctorale au California Institute of Technology. « Grâce à ce fait, nous pouvons « voir » ces objets : les ondes de diffusion transportent des informations sur la rugosité des surfaces qu'ils rencontrent sur leur chemin. Dans cette étude, nous avons examiné la diffusion des ondes sismiques voyageant profondément à l’intérieur de la Terre pour déterminer la « rugosité » de la frontière de 660 kilomètres trouvée. »
Les chercheurs ont été surpris de constater à quel point cette frontière est « rugueuse », encore plus que la couche superficielle sur laquelle nous vivons. "En d'autres termes, cette couche souterraine a une topographie plus complexe que les montagnes Rocheuses ou le système montagneux des Appalaches", a déclaré Wu. Leur modèle statistique n'a pas permis de déterminer les hauteurs exactes de ces montagnes souterraines, mais il y a de fortes chances qu'elles soient bien plus hautes que tout ce qui se trouve à la surface de la Terre. Les scientifiques ont également remarqué que la frontière de 660 kilomètres est également inégalement répartie. De la même manière que la couche terrestre présente des surfaces océaniques lisses dans certaines parties et des montagnes massives dans d'autres, la frontière de 660 km présente également des zones rugueuses et des strates lisses à sa surface. Les chercheurs ont également examiné les couches souterraines à une profondeur de 410 kilomètres et au sommet du manteau moyen, mais n'ont pas pu trouver une rugosité similaire sur ces surfaces.
"Ils ont découvert que la limite de 660 kilomètres est aussi complexe que la couche de surface", a déclaré la sismologue Christina Hauser, professeure adjointe à l'Institut de technologie de Tokyo qui n'a pas participé à l'étude. "Utiliser les ondes sismiques créées par de puissants tremblements de terre pour trouver une différence d'élévation de 3 kilomètres sur un terrain situé à 660 kilomètres de profondeur sous terre est un exploit inimaginable... Leurs découvertes signifient qu'à l'avenir, en utilisant des instruments sismiques plus sophistiqués, nous pourrons détecter des signaux subtils jusqu’alors inconnus, qui nous révéleront de nouvelles propriétés des couches internes de notre planète.
La sismologue Jessica Irving, professeur adjoint de géophysique, détient deux météorites de la collection de l'Université de Princeton qui contiennent du fer et feraient partie de la planète Terre.
Photo prise par Denis Appelwhite.
Qu'est-ce que cela signifie?
L’existence de surfaces rugueuses le long de la frontière de 660 kilomètres est importante pour comprendre comment notre planète se forme et fonctionne. Cette couche divise le manteau, qui représente environ 84 % du volume de notre planète, en sections supérieure et inférieure. Depuis des années, les géologues débattent de l’importance de cette frontière. En particulier, ils ont étudié comment la chaleur est transportée à travers le manteau - et si les roches chauffées se déplacent depuis la limite de Gutenberg (la couche séparant le manteau du noyau à une profondeur de 2900 660 kilomètres) jusqu'au sommet du manteau, ou si ce mouvement est interrompue à la limite de XNUMX kilomètres. Certaines preuves géochimiques et minéralogiques suggèrent que les couches supérieure et inférieure du manteau ont des compositions chimiques différentes, confortant l'idée que les deux couches sont thermiquement ou physiquement immiscibles. D'autres observations suggèrent que les couches supérieure et inférieure du manteau n'ont aucune différence chimique, donnant lieu au débat sur ce que l'on appelle le « manteau bien mélangé », où les deux couches du manteau participent à un cycle d'échange thermique adjacent.
"Notre étude apporte de nouvelles informations sur ce débat", a déclaré Wenbo Wu. Les données obtenues grâce à cette étude suggèrent que les deux côtés peuvent avoir en partie raison. Les strates plus lisses de la limite de 660 km peuvent s'être formées en raison d'un mélange vertical approfondi, là où les zones montagneuses plus rugueuses peuvent s'être formées là où le mélange du manteau supérieur et inférieur ne s'est pas déroulé aussi facilement.
De plus, la « rugosité » de la couche à la limite trouvée a été détectée à grande, moyenne et petite échelle par les chercheurs, ce qui pourrait en théorie être causé par des anomalies thermiques ou une hétérogénéité chimique. Mais en raison de la manière dont la chaleur est transportée dans le manteau, explique Wu, toute anomalie thermique à petite échelle serait lissée en quelques millions d'années. Ainsi, seule l’hétérogénéité chimique peut expliquer la rugosité de cette couche.
Qu’est-ce qui pourrait causer une hétérogénéité chimique aussi importante ? Par exemple, l'apparition de roches dans les couches du manteau qui appartenaient à la croûte terrestre et qui s'y sont déplacées pendant plusieurs millions d'années. Les scientifiques débattent depuis longtemps du sort des plaques du fond marin qui sont poussées dans le manteau par les zones de subduction qui entrent en collision autour de l'océan Pacifique et d'autres parties du globe. Weibo Wu et Jessica Irving suggèrent que les restes de ces plaques pourraient désormais se trouver au-dessus ou en dessous de la limite de 660 kilomètres.
«Beaucoup de gens pensent qu'il est assez difficile d'étudier la structure interne de la planète et ses changements au cours des 4.5 milliards d'années en utilisant uniquement les données des ondes sismiques. "Mais c'est loin d'être vrai !", a déclaré Irving. "Cette recherche nous a donné de nouvelles informations sur le sort des anciennes plaques tectoniques qui sont descendues dans le manteau sur plusieurs milliards d'années."
Enfin, Irving a ajouté : « Je pense que la sismologie est plus intéressante lorsqu’elle nous aide à comprendre la structure interne de notre planète dans l’espace et dans le temps. »
De l'auteur de la traduction : J'ai toujours voulu essayer de traduire un article de vulgarisation scientifique de l'anglais vers le russe, mais je ne m'y attendais pas dans la mesure où c'est compliqué. Beaucoup de respect à ceux qui traduisent régulièrement et efficacement les articles sur Habré. Pour traduire un texte de manière professionnelle, vous devez non seulement connaître l'anglais, mais également comprendre le sujet lui-même en étudiant des sources tierces. Ajoutez un peu de « gag » pour que cela paraisse plus naturel, mais n'en faites pas non plus trop, pour ne pas gâcher l'article. Merci beaucoup d'avoir lu :)
Source: habr.com