Tous les élèves savent que la planète Terre est divisée en trois (ou quatre) grandes couches: la croûte, le manteau et le noyau. En général, cela est vrai, bien que cette généralisation ne prenne pas en compte plusieurs couches supplémentaires identifiées par les scientifiques, dont l'une, par exemple, est une couche de transition à l'intérieur du manteau.
Dans une étude publiée le 15 février 2019, la géophysicienne Jessica Irving et l'étudiante de premier cycle Wenbo Wu de l'Université de Princeton, en collaboration avec Sidao Ni du Geodetic and Geophysical Institute en Chine, ont utilisé les données du violent tremblement de terre de 1994 en Bolivie pour trouver montagnes et autres éléments topographiques à la surface de la zone de transition profondément à l'intérieur du manteau. Cette couche, située à une profondeur de 660 kilomètres sous le sol, sépare les parties supérieures et inférieures du manteau (sans nom officiel pour cette couche, les chercheurs l'ont simplement appelée «frontière de 660 km»).
Afin de «regarder» si profondément sous terre, les scientifiques ont utilisé les ondes les plus puissantes de la planète, provoquées par de forts tremblements de terre. "Vous avez besoin d'un tremblement de terre puissant et profond pour secouer la planète", a déclaré Jessica Irving, professeure adjointe de sciences géophysiques.
Les grands tremblements de terre sont beaucoup plus puissants que les tremblements de terre ordinaires - dont l'énergie augmente de 30 fois à chaque étape supplémentaire de l'échelle de Richter. Irving tire ses meilleures données des tremblements de terre de magnitude 7,0 et plus, car les ondes sismiques envoyées par des tremblements de terre aussi puissants divergent dans différentes directions et peuvent traverser le cœur de l'autre côté de la planète et vice-versa. Pour cette étude, des données clés ont été obtenues à partir d'ondes sismiques enregistrées à partir d'un tremblement de terre de magnitude 8,3 - le deuxième tremblement de terre le plus profond jamais enregistré par les géologues - qui a choqué la Bolivie en 1994.
«Les tremblements de terre de cette ampleur ne se produisent pas souvent. Nous sommes très chanceux qu'il y ait maintenant beaucoup plus de sismomètres installés dans le monde qu'il y a 20 ans. La sismologie a également changé de façon spectaculaire au cours des 20 dernières années grâce à de nouveaux outils et capacités informatiques.
Les sismologues et les analystes de données utilisent des supercalculateurs, tels que le supercalculateur à grappes Princeton Tiger, pour simuler le comportement complexe de la diffusion des ondes sismiques profondément sous terre.
Les technologies reposent sur les propriétés fondamentales des ondes: leur capacité de réflexion et de réfraction. Tout comme les ondes lumineuses, elles peuvent rebondir (réfléchir) à partir d'un miroir ou se courber (réfracter) lorsqu'elles traversent un prisme, les ondes sismiques traversent des roches homogènes, mais sont réfléchies ou réfractées lorsqu'elles rencontrent des surfaces inégales sur le chemin.
"Nous savons que presque tous les objets ont une surface inégale et peuvent donc diffuser la lumière", a déclaré Wenbo Wu, l'auteur principal de cette étude, qui a récemment obtenu un doctorat en géonomie et qui suit actuellement des études postdoctorales au California Institute of Technology. «Grâce à ce fait, nous pouvons« voir »ces objets - les ondes diffusantes véhiculent des informations sur la rugosité des surfaces qu'elles rencontrent sur leur chemin. Dans cette étude, nous avons étudié la diffusion d'ondes sismiques se propageant au plus profond de la Terre pour déterminer les irrégularités de la frontière de 660 km trouvée. "
Les chercheurs ont été surpris de voir à quel point cette frontière est inégale - encore plus que la couche de surface sur laquelle nous vivons. "En d'autres termes, cette couche souterraine a une topographie plus compliquée que les montagnes Rocheuses ou le système de montagne des Appalaches", a déclaré Wu. Leur modèle statistique n'a pas été en mesure de déterminer les hauteurs exactes de ces montagnes souterraines, mais il est fort probable qu'elles soient beaucoup plus élevées 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 au sol a une surface océanique lisse dans certaines parties et des montagnes massives dans d'autres, la frontière de 660 km a également des zones inégales et des couches lisses à sa surface. Les chercheurs ont également étudié les couches souterraines à une profondeur de 410 kilomètres et au-dessus de la couche médiane du manteau, mais n'ont pas pu trouver une rugosité similaire de ces surfaces.
«Ils ont découvert que la frontière de 660 km est aussi complexe que la couche de surface de la terre», a déclaré la sismologue Kristina Hauser, professeure adjointe au Tokyo Institute of Technology qui n'était pas impliquée dans cette étude. «Utiliser des ondes sismiques créées par de puissants tremblements de terre pour trouver la différence d'élévation de 3 km du terrain situé à 660 kilomètres de profondeur est un exploit inimaginable. Leurs découvertes signifient qu'à l'avenir, en utilisant des outils sismiques plus sophistiqués, nous serons en mesure de détecter des signaux inconnus jusque-là inconnus. qui nous révélera de nouvelles propriétés des couches internes de notre planète. »
La sismologue Jessica Irving, professeure adjointe de géophysique, détient deux météorites de la collection de l'Université de Princeton qui contiennent du fer et sont censées faire partie de la planète Terre.
Photo prise par Denis Appelwight.Qu'est-ce que cela signifie?L'existence de surfaces inégales à la frontière de 660 km est importante pour comprendre comment notre planète est formée et fonctionne. Cette couche divise le manteau, qui représente environ 84% du volume de notre planète, en sections supérieure et inférieure. Pendant des années, les géologues ont débattu 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 de la frontière de Gutenberg (la couche séparant le manteau du noyau à une profondeur de 2900 kilomètres) jusqu'au sommet du manteau ou si ce mouvement est interrompu à la frontière de 660 km. Certaines données géochimiques et minéralogiques suggèrent que les couches supérieures et inférieures du manteau ont des compositions chimiques différentes, ce qui soutient l'idée que les deux couches ne se mélangent pas thermiquement ou physiquement. D'autres observations suggèrent que les couches supérieures et inférieures du manteau n'ont aucune différence chimique, ce qui donne lieu à un débat sur le soi-disant «manteau bien mélangé», où les deux couches du manteau sont impliquées dans un cycle de transfert de chaleur adjacent.
"Notre étude offre une nouvelle perspective sur ce débat", a déclaré Wenbo Wu. Les preuves de cette étude suggèrent que les deux côtés peuvent avoir partiellement raison. Des couches plus lisses de la frontière de 660 km peuvent être formées en raison d'un mélange vertical soigneux, où des zones montagneuses plus inégales pourraient se former à un endroit où le mélange des couches supérieure et inférieure du manteau ne s'est pas déroulé sans problème non plus.
De plus, la rugosité des couches à la frontière trouvée a été découverte à grande, moyenne et petite échelle par des chercheurs, ce qui pourrait en théorie être causé par des anomalies thermiques ou une hétérogénéité chimique. Mais en raison de la façon dont la chaleur est transportée dans le manteau, explique Wu, toute anomalie thermique à petite échelle aurait été lissée sur plusieurs millions d'années. Ainsi, seule l'hétérogénéité chimique peut expliquer la rugosité de cette couche.
Qu'est-ce qui pourrait provoquer une hétérogénéité chimique si importante? Par exemple, l'apparition de roches dans les couches du manteau qui appartenaient à la croûte terrestre et s'y sont déplacées pendant plusieurs millions d'années. Les scientifiques se disputent depuis longtemps sur le sort des plaques sur le fond marin, qui sont poussées dans le manteau dans les zones de subduction, qui entrent en collision autour de l'océan Pacifique et dans d'autres parties du globe. Weibo Wu et Jessica Irving suggèrent que les restes de ces plaques pourraient maintenant être au-dessus ou au-dessous de la frontière 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 passées, en utilisant uniquement les données des ondes sismiques. Mais c'est loin de là! ", A déclaré Irving." Cette étude nous a donné de nouvelles informations sur le sort des anciennes plaques tectoniques qui sont descendues dans le manteau pendant plusieurs milliards d'années. "
En fin de compte, 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 le temps."
De l'auteur de la traduction: J'ai toujours voulu essayer de traduire un article scientifique populaire de l'anglais vers le russe, mais je ne m'attendais pas à quel point c'était difficile. Un grand respect à ceux qui traduisent régulièrement et qualitativement des articles sur Habré. Pour traduire professionnellement le texte, vous devez non seulement connaître l'anglais, mais également comprendre le sujet lui-même en étudiant des sources tierces. Ajoutez un petit "gag" pour un son plus naturel, mais aussi pour ne pas en faire trop, afin de ne pas gâcher l'article. Merci beaucoup d'avoir lu :)