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Pour la première fois, des scientifiques britanniques ont pu examiner en détail une zone à très faible vitesse, énigmatiques poches de roche situées près du noyau terrestre, à environ 3 000 kilomètres sous la surface.

Un niveau de détail sans précédent

Bien que de telles structures puissent mesurer plusieurs centaines de kilomètres de large et des dizaines d’épaisseur, les étudier est loin d’être une mince affaire, en raison de la profondeur à laquelle elles se trouvent. Pour ce faire, les chercheurs s’appuient sur les ondes sismiques parcourant les entrailles de la Terre, qui ont la particularité de ralentir significativement lorsqu’elles les traversent (d’où leur nom).

Alors que les images obtenues jusqu’à présent s’avéraient granuleuses et difficiles à analyser, celle récemment publiée dans la revue Nature Communications révèle une zone à très basse vitesse située sous Hawaï avec un niveau de détail sans précédent.

« De toutes les caractéristiques intérieures profondes de la Terre, celles-ci sont les plus fascinantes et les plus complexes », explique Zhi Li, géophysicien à l’université de Cambridge. « Nous disposons désormais du premier aperçu détaillé de leur structure, et c’est un véritable jalon dans la sismologie de la Terre profonde. »

Représentations schématiques de la zone à très basse vitesse hawaïenne — © Li et al. / Nature Communications 2022

Pour produire l’image, Li et ses collègues ont utilisé les dernières techniques de modélisation informatique, qui ont été appliquées au signal haute fréquence enregistré lorsque les ondes sismiques ont traversé la zone à très faible vitesse. Une telle approche leur a offert un aperçu de la poche rocheuse à l’échelle du kilomètre, ce qui constitue une amélioration substantielle de la résolution lorsqu’il s’agit d’étudier la limite entre le noyau de fer et de nickel de la Terre et le manteau qui l’entoure.

Mieux cerner l’influence des zones à très faible vitesse sur l’activité géologique terrestre

Le flux de roches chaudes du manteau étant à l’origine des tremblements de terre, du volcanisme et d’autres activités connexes, il est important de déterminer dans quelle mesure ces zones à très faible vitesse influencent cette activité.

On suppose actuellement qu’une concentration anormalement élevée de fer dans ces structures serait à l’origine de la densité supplémentaire apparaissant sur les modèles d’ondes sismiques. Pouvoir confirmer définitivement cette hypothèse pourrait nous en apprendre davantage sur la formation de la Terre et le fonctionnement de son noyau aujourd’hui.

« Il est possible que ce matériau riche en fer soit un vestige de roches anciennes datant du début de l’histoire de la Terre ou même que du fer s’échappe du noyau via un processus inconnu », souligne la sismologue Sanne Cottaar, co-auteure de l’étude.

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Les scientifiques ont également établi un lien entre les zones à très faible vitesse et les points chauds volcaniques, comme ceux d’Hawaï et d’Islande, appuyant l’idée que des matériaux provenant du noyau remontent à la surface. Selon eux, l’amélioration de l’imagerie de ces zones profondes et mystérieuses, complétée par l’étude des roches basaltiques de surface, pourrait permettre de confirmer de telles fuites.

« Nous repoussons vraiment les limites du calcul moderne à haute performance pour les simulations élastodynamiques »

Si l’étude des zones à très faible vitesse est limitée à certains égards par l’endroit où se produisent les tremblements de terre et où sont installés les sismographes, l’équipe entend appliquer ces améliorations en matière d’imagerie haute résolution à d’autres poches profondes de la Terre.

« Nous repoussons vraiment les limites du calcul moderne à haute performance pour les simulations élastodynamiques, en tirant parti de symétries d’ondes jusqu’alors passées inaperçues ou ignorées », conclut Kuangdai Leng, de l’université d’Oxford.

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