Une nouvelle recherche menée par l’Université de Cambridge est la première à prendre une image détaillée d’une poche de roche inhabituelle à la couche limite avec le noyau terrestre, à environ trois mille kilomètres sous la surface.
La zone rocheuse énigmatique, située presque directement sous les îles hawaïennes, est l’une des nombreuses zones à très faible vitesse, ainsi appelées parce que les ondes sismiques ralentissent lorsqu’elles les traversent.
La recherche, publiée aujourd’hui dans Communication Natureest le premier à révéler en détail la variabilité interne complexe de l’une de ces poches, mettant en lumière le paysage de l’intérieur profond de la Terre et les processus qui s’y déroulent.
« De toutes les caractéristiques intérieures profondes de la Terre, ce sont les plus fascinantes et les plus complexes. Nous avons maintenant la première preuve solide pour montrer leur structure interne – c’est une véritable étape importante dans la sismologie de la Terre profonde », a déclaré l’auteur principal Zhi Li, Ph.D. . étudiant au Département des Sciences de la Terre de Cambridge.
L’intérieur de la Terre est stratifié comme un oignon : au centre se trouve le noyau de fer-nickel, entouré d’une couche épaisse appelée manteau, et au-dessus de cela une fine coque extérieure – la croûte sur laquelle nous vivons. Bien que le manteau soit constitué de roche solide, il est suffisamment chaud pour s’écouler extrêmement lentement. Ces courants de convection internes transmettent de la chaleur à la surface, entraînant le mouvement des plaques tectoniques et alimentant les éruptions volcaniques.
Les scientifiques utilisent les ondes sismiques des tremblements de terre pour voir sous la surface de la Terre – les échos et les ombres de ces ondes révélant des images de type radar de la topographie intérieure profonde. Mais jusqu’à récemment, les images des structures à la frontière noyau-manteau, une zone d’intérêt clé pour l’étude du flux de chaleur interne de notre planète, étaient granuleuses et difficiles à interpréter.
Les chercheurs ont utilisé les dernières méthodes de modélisation numérique pour révéler des structures kilométriques à la frontière noyau-manteau. Selon le co-auteur, le Dr Kuangdai Leng, qui a développé les méthodes à l’Université d’Oxford, « Nous repoussons vraiment les limites du calcul haute performance moderne pour les simulations élastodynamiques, en tirant parti des symétries d’ondes inaperçues ou inutilisées auparavant. » Leng, qui est actuellement basé au Conseil des installations scientifiques et technologiques, a déclaré que cela signifie qu’ils peuvent améliorer la résolution des images d’un ordre de grandeur par rapport aux travaux précédents.
Ils ont observé une réduction de 40% de la vitesse des ondes sismiques se déplaçant à la base de la zone à très faible vitesse sous Hawaï. Selon les auteurs, cela corrobore les propositions existantes selon lesquelles la zone contient beaucoup plus de fer que les roches environnantes, ce qui signifie qu’elle est plus dense et plus lente. « Il est possible que ce matériau riche en fer soit un vestige d’anciennes roches de l’histoire primitive de la Terre ou même que du fer s’échappe du noyau par un moyen inconnu », a déclaré le chef de projet, le Dr Sanne Cottaar de Cambridge Earth Sciences.
La nouvelle recherche pourrait également aider les scientifiques à comprendre ce qui se trouve en dessous et donne naissance à des chaînes volcaniques comme les îles hawaïennes. Les scientifiques ont commencé à remarquer une corrélation entre l’emplacement des volcans de points chauds nommés de manière descriptive, qui comprennent Hawaï et l’Islande, et les zones à très faible vitesse à la base du manteau. L’origine des volcans de points chauds a été largement débattue, mais la théorie la plus populaire suggère que les structures en forme de panache transportent des matériaux chauds du manteau depuis la limite noyau-manteau jusqu’à la surface.
Avec des images de la zone de vitesse ultra-faible sous Hawaï maintenant en main, l’équipe peut également recueillir des preuves physiques rares de ce qui est probablement la racine du panache alimentant Hawaï. Leur observation d’une roche dense et riche en fer sous Hawaï étayerait les observations de surface, « Les basaltes qui éclatent d’Hawaï ont des signatures isotopiques anormales qui pourraient indiquer soit une origine de la Terre primitive, soit une fuite du noyau, cela signifie qu’une partie de ce matériau dense s’est empilé à la base doit être ramenée à la surface », a déclaré Cottaar.
Une plus grande partie de la frontière noyau-manteau doit maintenant être imagée pour comprendre si tous les points chauds de surface ont une poche de matériau dense à la base. Où et comment la limite noyau-manteau peut être ciblée dépend de l’endroit où les tremblements de terre se produisent et de l’endroit où les sismomètres sont installés pour enregistrer les vagues.
Les observations de l’équipe s’ajoutent à un nombre croissant de preuves que l’intérieur profond de la Terre est tout aussi variable que sa surface. « Ces zones à faible vitesse sont l’une des caractéristiques les plus complexes que nous voyons à des profondeurs extrêmes. Si nous élargissons nos recherches, nous verrons probablement des niveaux de complexité toujours croissants, à la fois structurels et chimiques, à la limite noyau-manteau », a déclaré Li. .
Ils prévoient maintenant d’appliquer leurs techniques pour améliorer la résolution de l’imagerie d’autres poches à la limite noyau-manteau, ainsi que pour cartographier de nouvelles zones. Finalement, ils espèrent cartographier le paysage géologique à travers la frontière noyau-manteau et comprendre sa relation avec la dynamique et l’histoire évolutive de notre planète.
Structure kilométrique à la limite noyau-manteau près d’Hawaï, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-30502-5