La sismologie devient passionnante lorsqu'elle permet de mieux comprendre la structure interne de notre planète, à la fois dans l'espace et dans le temps.
Nous savons par les manuels scolaires que la Terre a trois (ou quatre) couches: croûte, manteau et noyau, parfois subdivisées en intérieure et extérieure. Ce n'est pas tout à fait vrai, car cela exclut certaines des autres couches que les scientifiques distinguent dans la structure de notre planète. Dans une étude publiée dans la revue Science, des géophysiciens de l'Université de Princeton (États-Unis) et de l'Institut de géodésie et de géophysique en Chine rapportent des montagnes et d'autres topographies dans une couche située à 660 kilomètres de profondeur et séparant le manteau supérieur et inférieur.
"Trouver des changements d'altitude allant jusqu'à trois kilomètres sur une frontière de plus de 660 kilomètres, en utilisant des vagues qui voyagent à travers la terre et le dos, est un exploit inspirant", a déclaré la sismologue Christina Hauser, professeure adjointe à l'Institut de technologie de Tokyo, Japon, qui n'a pas participé à l'étude.
La structure de la Terre. La rugosité à la couche limite à une profondeur de 660 kilomètres montre les montagnes souterraines supposées. Crédit: Image de Kyle McKernan, Bureau des communications de l'Université de Princeton.
Pour regarder au plus profond de la Terre, les scientifiques utilisent les ondes les plus puissantes de la planète, générées par les tremblements de terre. Les tremblements de terre profonds et forts peuvent mettre tout le manteau en mouvement, et les tremblements de terre d'une magnitude de 7,0 propagent des ondes de choc à travers le noyau jusqu'à l'autre côté de la planète et inversement.
Pour cette étude, les scientifiques se sont tournés vers des données clés sur les vagues détectées après le séisme de magnitude 8,2 - le deuxième plus puissant jamais enregistré, qui a secoué la Bolivie en 1994.
Pour simuler le comportement complexe de la diffusion des ondes dans les profondeurs de la Terre, les sismologues ont utilisé le groupe de superordinateurs Tiger de l'Université de Princeton. La technologie de simulation dépend d'une propriété fondamentale des ondes: leur capacité à changer de direction et à rebondir. Tout comme les ondes lumineuses peuvent être réfléchies ou réfractées lors du passage à travers un prisme, les ondes sismiques voyagent directement à travers des roches homogènes, mais sont réfléchies ou réfractées à la limite du support. Ainsi, leur diffusion porte des informations sur les irrégularités de surface et les couches profondes.
«Nous avons été très surpris des résultats obtenus. La frontière de 660 kilomètres a une topographie plus forte que les montagnes Rocheuses ou les Appalaches, et est aussi complexe que ce que nous voyons à la surface », écrivent les auteurs de l'étude.
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Vue sur les montagnes Rocheuses du parc national des montagnes Rocheuses aux États-Unis. Crédit: Stanislav Savin.
Le modèle statistique ne nous a pas permis de déterminer avec précision la hauteur des montagnes trouvées dans les profondeurs des montagnes, mais il est devenu clair que les irrégularités sont inégalement réparties, tout comme la surface de la croûte terrestre a des zones lisses du fond océanique et de hautes montagnes. Les chercheurs ont également étudié une couche à une profondeur de 410 kilomètres, dans la partie supérieure de la «zone de transition» du manteau, et n'ont pas trouvé une telle propagation topographique.
Les résultats obtenus montrent à quel point les instruments sismiques avancés ont été pour découvrir des propriétés nouvelles et inattendues des couches de la terre.
Qu'est-ce que ça veut dire
La présence d'irrégularités à la frontière de 660 kilomètres est essentielle pour comprendre comment notre planète s'est formée. La couche explorée divise le manteau, qui représente environ 84% du volume de la Terre, en ses parties supérieure et inférieure. Pendant des années, les géologues ont débattu de l'importance de cette frontière. En particulier, ils ont étudié comment la chaleur se propage à travers le manteau.
Certaines preuves géochimiques et minéralogiques suggèrent une différence chimique entre le manteau supérieur et inférieur, ce qui soutient l'idée que les deux sections ne se mélangent pas thermiquement ou physiquement. Cependant, les données montrent que des régions plus lisses à la limite de 660 km peuvent être le résultat d'un mélange vertical prudent, tandis que des régions montagneuses peuvent s'être formées là où le mélange ne se produit pas.
De plus, les irrégularités détectées peuvent théoriquement être causées par des anomalies thermiques ou des irrégularités chimiques. Mais en raison de la redistribution de la chaleur dans le manteau, toute petite anomalie thermique sera lissée sur un million d'années, ne laissant que des différences chimiques.
Alors, qu'est-ce qui aurait pu causer la différence significative dans la chimie des couches? Les scientifiques disent que la raison en est le naufrage de roches qui appartenaient autrefois à la croûte terrestre. Les géophysiciens débattent depuis longtemps du sort des plaques de fond marin qui entaillent le manteau dans les zones de subduction du monde entier. Les chercheurs pensent que les restes de ces anciennes plaques peuvent maintenant être juste au-dessus ou juste en dessous de la frontière de 660 kilomètres.
«La sismologie devient passionnante lorsqu'elle nous permet de mieux comprendre la structure interne de notre planète à la fois dans l'espace et dans le temps», concluent les auteurs de l'étude.
