Le pompage de magma à travers un complexe massif de chambres plates et interconnectées profondément sous les volcans à Hawai’i semble être responsable d’un essaim inexpliqué de minuscules tremblements de terre ressentis sur la grande île au cours des sept dernières années, en particulier depuis l’éruption de 2018 et l’effondrement du sommet de Kilauea.
Les chambres en forme de crêpes, appelées « seuils », canalisent le magma latéralement et vers le haut pour recharger les chambres magmatiques d’au moins deux des volcans actifs de l’île : le Mauna Loa et le Kīlauea. À l’aide d’un algorithme d’apprentissage automatique, les géoscientifiques de Caltech ont pu utiliser les données recueillies auprès des stations sismiques de l’île pour tracer la structure des seuils, les cartographier avec une précision jamais vue auparavant et démontrer qu’ils relient les volcans.
De plus, les chercheurs ont pu surveiller la progression du magma alors qu’il poussait vers le haut à travers les seuils et établir un lien avec l’activité du Kīlauea. Ils ont analysé une période qui s’est terminée en mai 2022, il n’est donc pas encore possible de dire s’ils peuvent repérer le flux de magma qui a conduit à l’éruption du Mauna Loa le 27 novembre, mais l’équipe a l’intention d’examiner cela ensuite.
« Avant cette étude, nous savions très peu de choses sur la façon dont le magma est stocké et transporté profondément sous Hawai’i. Maintenant, nous avons une carte haute définition d’une partie importante du système de plomberie », déclare John D. Wilding, étudiant diplômé de Caltech. et co-auteur principal d’un article décrivant la recherche qui a été publiée dans la revue Science le 22 décembre.
Plus de 192 000 petits événements sismiques, chacun représenté ici par un seul point noir, révèlent en 3D la forme et l’emplacement des seuils sous Hawai’i. Crédit : Caltech/Wilding et al
L’étude représente la première fois que des scientifiques ont pu observer directement une structure de magma située aussi profondément sous terre. « Nous savons assez bien ce que fait le magma dans la partie peu profonde du système au-dessus de 15 kilomètres de profondeur, mais jusqu’à présent, tout ce qui se trouve en dessous n’a fait l’objet que de spéculations », a déclaré Wilding.
Avec des données sur plus de 192 000 petits tremblements (inférieurs à la magnitude 3,0) qui se sont produits au cours de la période de 3,5 ans de 2018 à la mi-2022, l’équipe a pu cartographier plus d’une douzaine de seuils empilés les uns sur les autres. Le plus grand mesure environ 6 kilomètres sur 7 kilomètres. Les seuils ont généralement une épaisseur d’environ 300 mètres et sont séparés par une distance d’environ 500 mètres.
« Les tremblements de terre volcaniques se caractérisent généralement par leur faible magnitude et leur fréquence lors des troubles magmatiques », explique Weiqiang Zhu, chercheur postdoctoral associé en géophysique et co-auteur principal de l’ouvrage Science papier.
« Nous sommes enthousiasmés par les progrès récents de l’apprentissage automatique, en particulier l’apprentissage en profondeur, qui aident à détecter et à localiser avec précision ces petits signaux sismiques enregistrés par des réseaux sismiques denses. L’apprentissage automatique peut être un outil efficace pour les sismologues pour analyser de grands ensembles de données archivées, identifier des modèles lors de petits tremblements de terre, et obtenez des informations sur les structures sous-jacentes et les mécanismes physiques. »
Wilding et Zhu ont travaillé avec Jennifer Jackson, professeur William E. Leonhard de physique minérale ; et Zachary Ross, professeur adjoint de géophysique et boursier William H. Hurt ; qui sont tous deux auteurs principaux de l’article.
L’équipe n’a pas eu à placer une seule pièce de matériel pour réaliser l’étude ; ils se sont plutôt appuyés sur les données recueillies par les sismomètres de l’United States Geological Survey sur l’île. Cependant, l’algorithme d’apprentissage automatique développé dans le laboratoire de Ross leur a donné une capacité sans précédent à séparer le signal du bruit, c’est-à-dire à identifier clairement les tremblements de terre et leurs emplacements, ce qui crée une sorte de « nuage de points » 3D qui illustre les seuils.
« C’est analogue à prendre un CT [computerized tomography] scanner, la façon dont un médecin peut visualiser l’intérieur du corps d’un patient », explique Ross. « Mais au lieu d’utiliser des sources contrôlées avec des rayons X, nous utilisons des sources passives, qui sont des tremblements de terre.
L’équipe a pu cataloguer environ 10 fois plus de tremblements de terre qu’auparavant, et ils ont pu localiser leurs emplacements avec une marge d’erreur de moins d’un kilomètre ; les emplacements précédents ont été déterminés avec des marges d’erreur de quelques kilomètres. Le travail a été accompli à l’aide d’un algorithme d’apprentissage en profondeur qui avait appris à repérer les signaux sismiques à l’aide d’un ensemble de données d’entraînement de millions de tremblements de terre précédemment identifiés.
Même avec de petits tremblements de terre, qui pourraient ne pas se distinguer à l’œil humain sur un sismogramme, l’algorithme trouve des modèles qui distinguent les tremblements de terre du bruit de fond. Ross avait précédemment utilisé la technique pour révéler comment une injection naturelle de fluides souterrains a provoqué un essaim de tremblements de terre de quatre ans près de Cahuilla, en Californie.
Les seuils semblent se trouver à des profondeurs allant d’environ 36 à 43 kilomètres. (Pour référence, les humains les plus profonds ont jamais foré dans la Terre est un peu plus de 12 kilomètres.) Les scientifiques savent depuis longtemps qu’une limite de phase est présente à une profondeur d’environ 35 kilomètres sous Hawai’i ; à une telle limite de phase, une roche de même composition chimique passe d’un groupe de minéraux au-dessus à un groupe différent en dessous.
En étudiant les nouvelles données, Jackson a reconnu que les transitions se produisant dans cette roche couplées aux injections de magma pourraient héberger des réactions chimiques et des processus qui stressent ou affaiblissent la roche, expliquant peut-être l’existence des filons-couches – et par extension, la sismicité active.
« La transition du spinelle en plagioclase dans la roche lherzolite peut se produire par migration diffuse, piégeage et cristallisation du magma fondu dans le manteau lithosphérique peu profond sous Hawai’i », a déclaré Jackson.
« De tels assemblages peuvent présenter un affaiblissement transitoire résultant d’une déformation couplée et de réactions chimiques, ce qui pourrait faciliter la croissance de fissures ou l’activation de failles. Des injections récurrentes de magma moduleraient en continu la taille des grains dans le complexe de seuil, prolongeant les conditions de déformation sismique dans la roche. variations latérales de force pour produire et maintenir les caractéristiques sismogènes latéralement compactes que nous observons. »
On ne sait pas si les seuils sous la grande île sont uniques à Hawai’i ou si ce type de structure subvolcanique est courant, selon les chercheurs. « Hawai’i est l’île la mieux surveillée au monde, avec des dizaines de stations sismiques qui nous donnent une fenêtre sur ce qui se passe sous la surface. Nous devons nous demander, à combien d’autres endroits cela se produit-il ? » dit Wilding.
On ne sait pas non plus exactement comment le mouvement du magma déclenche les minuscules tremblements de terre. Les tremblements de terre cartographient les structures, mais le mécanisme réel des tremblements de terre n’est pas bien compris. Il se pourrait que l’injection de beaucoup de magma dans un espace crée beaucoup de stress, disent les chercheurs.
Plus d’information:
John D. Wilding, La toile magmatique sous Hawai’i, Science (2022). DOI : 10.1126/science.ade5755