Une simulation de l’évolution de l’intérieur de la Terre au fil du temps, montrant l’évolution thermique (en bas), chimique (au milieu) et thermochimique dans les conditions simulées. Le bas de chaque champ est la limite noyau-manteau. Des zones de vitesse ultra-faible peuvent être observées dans les champs supérieur et intermédiaire, se formant aux orteils des zones bleu clair. Crédit : Surya Pachhai
Faisons un voyage dans les profondeurs de la Terre, à travers la croûte et le manteau presque jusqu’au noyau. Nous utiliserons les ondes sismiques pour montrer la voie, car elles résonnent à travers la planète à la suite d’un tremblement de terre et révèlent sa structure interne comme des ondes radar.
Près du noyau, il y a des zones où les ondes sismiques ralentissent à un rythme rampant. Une nouvelle recherche de l’Université de l’Utah révèle que ces zones à ultra-faible vitesse énigmatiques et nommées de manière descriptive sont étonnamment superposées. La modélisation suggère qu’il est possible que certaines de ces zones soient des restes des processus qui ont façonné la Terre primitive – des restes de mélange incomplet comme des touffes de farine au fond d’un bol de pâte.
“De toutes les caractéristiques que nous connaissons dans le manteau profond, les zones à ultra-faible vitesse représentent ce qui est probablement les plus extrêmes”, explique Michael S. Thorne, professeur agrégé au Département de géologie et de géophysique. “En effet, ce sont certaines des caractéristiques les plus extrêmes trouvées n’importe où sur la planète.”
L’étude est publiée dans Géosciences de la nature et est financé par la National Science Foundation.
Dans le manteau
Voyons comment l’intérieur de la Terre est structuré. Nous vivons sur la croûte, une fine couche de roche solide. Entre la croûte et le noyau fer-nickel au centre de la planète se trouve le manteau. Ce n’est pas un océan de lave – c’est plutôt de la roche solide, mais chaude et avec une capacité de mouvement qui entraîne la tectonique des plaques à la surface.
Comment pouvons-nous avoir une idée de ce qui se passe dans le manteau et le noyau ? Ondes sismiques. Alors qu’elles se propagent à travers la Terre après un tremblement de terre, les scientifiques à la surface peuvent mesurer comment et quand les ondes arrivent aux stations de surveillance du monde entier. À partir de ces mesures, ils peuvent rétrocalculer la façon dont les ondes ont été réfléchies et déviées par des structures à l’intérieur de la Terre, y compris des couches de densités différentes. C’est ainsi que nous savons où se situent les frontières entre la croûte, le manteau et le noyau – et partiellement comment nous savons de quoi ils sont faits.
Des zones à ultra-faible vitesse se trouvent au bas du manteau, au sommet du noyau externe en métal liquide. Dans ces zones, les ondes sismiques ralentissent de moitié et la densité augmente d’un tiers.
Les scientifiques ont d’abord pensé que ces zones étaient des zones où le manteau avait partiellement fondu et pourraient être la source de magma pour les régions volcaniques dites « de point chaud » comme l’Islande.
“Mais la plupart des choses que nous appelons zones à ultra-faible vitesse ne semblent pas être situées sous les volcans de points chauds”, explique Thorne, “ce qui ne peut donc pas être toute l’histoire.”
So Thorne, la chercheuse postdoctorale Surya Pachhai et ses collègues du Université nationale australienne, l’Université d’État de l’Arizona et l’Université de Calgary ont entrepris d’explorer une autre hypothèse : que les zones à ultra-faible vitesse pourraient être des régions constituées de roches différentes du reste du manteau et que leur composition pourrait remonter à la Terre primitive.
Peut-être, dit Thorne, les zones à ultra-faible vitesse pourraient être des collections d’oxyde de fer, que nous considérons comme de la rouille à la surface mais qui peut se comporter comme un métal dans le manteau profond. Si tel est le cas, des poches d’oxyde de fer juste à l’extérieur du noyau pourraient influencer le champ magnétique terrestre qui est généré juste en dessous.
“Les propriétés physiques des zones à ultra-faible vitesse sont liées à leur origine”, explique Pachhai, “qui à son tour fournit des informations importantes sur l’état thermique et chimique, l’évolution et la dynamique du manteau le plus bas de la Terre – une partie essentielle de la convection du manteau qui entraîne tectonique des plaques.
Ondes sismiques en rétro-ingénierie
Pour obtenir une image claire, les chercheurs ont étudié des zones à ultra-faible vitesse sous la mer de Corail, entre l’Australie et la Nouvelle-Zélande. C’est un emplacement idéal en raison de l’abondance de tremblements de terre dans la région, qui fournissent une image sismique à haute résolution de la limite noyau-manteau. L’espoir était que les observations à haute résolution puissent en révéler davantage sur la façon dont les zones à ultra-faible vitesse sont assemblées.
Mais obtenir une image sismique de quelque chose à travers près de 1800 miles de croûte et de manteau n’est pas facile. Ce n’est pas toujours concluant non plus : une couche épaisse de matériau à faible vitesse peut refléter les ondes sismiques de la même manière qu’une fine couche de matériau à vitesse encore plus faible.
L’équipe a donc utilisé une approche d’ingénierie inverse.
“Nous pouvons créer un modèle de la Terre qui inclut des réductions de vitesse d’onde ultra-faibles”, dit Pachhai, “et ensuite exécuter une simulation informatique qui nous dit à quoi ressembleraient les formes d’onde sismiques si c’était à cela que ressemblait la Terre. Notre prochaine étape consiste à comparer ces enregistrements prévus avec les enregistrements que nous avons réellement. »
Sur des centaines de milliers d’exécutions de modèles, la méthode, appelée « inversion bayésienne », produit un modèle mathématiquement robuste de l’intérieur avec une bonne compréhension des incertitudes et des compromis des différentes hypothèses du modèle.
Une question particulière à laquelle les chercheurs ont voulu répondre est de savoir s’il existe des structures internes, telles que des couches, dans les zones à ultra-faible vitesse. La réponse, selon les modèles, est que les couches sont très probables. C’est un gros problème, car cela montre la voie à suivre pour comprendre comment ces zones sont nées.
« À notre connaissance, il s’agit de la première étude utilisant une telle approche bayésienne à ce niveau de détail pour étudier des zones à ultra-faible vitesse », dit Pachhai, « et c’est également la première étude à démontrer une forte stratification dans une ultra-faible vitesse. zone.”
Retour sur les origines de la planète
Qu’est-ce que cela signifie qu’il y a des couches probables?
Il y a plus de quatre milliards d’années, alors que le fer dense s’enfonçait au cœur de la Terre primitive et que des minéraux plus légers flottaient dans le manteau, un objet planétaire de la taille de Mars peut avoir percuté la planète infantile. La collision a peut-être jeté des débris sur l’orbite terrestre qui auraient pu former plus tard la Lune. Cela a également considérablement augmenté la température de la Terre, comme on peut s’y attendre de la collision de deux planètes.
“En conséquence, une grande masse de matière en fusion, connue sous le nom d’océan de magma, s’est formée”, explique Pachhai. L’« océan » aurait été constitué de roches, de gaz et de cristaux en suspension dans le magma.
L’océan se serait arrangé en se refroidissant, avec des matériaux denses s’enfonçant et se superposant au fond du manteau.
Au cours des milliards d’années qui ont suivi, alors que le manteau s’agitait et se convectivait, la couche dense aurait été poussée en petites parcelles, se présentant sous la forme des zones stratifiées à ultra-faible vitesse que nous voyons aujourd’hui.
« Donc, la découverte principale et la plus surprenante est que les zones à ultra-faible vitesse ne sont pas homogènes mais contiennent de fortes hétérogénéités (variations structurelles et compositionnelles)”, explique Pachhai. « Cette découverte change notre point de vue sur l’origine et la dynamique des zones à ultra-faible vitesse. Nous avons découvert que ce type de zone à ultra-faible vitesse peut s’expliquer par des hétérogénéités chimiques créées au tout début de l’histoire de la Terre et qu’elles ne sont toujours pas bien mélangées après 4,5 milliards d’années de convection du manteau.
Pas le dernier mot
L’étude fournit des preuves des origines de certaines zones à ultra-faible vitesse, bien qu’il existe également des preuves suggérant des origines différentes pour d’autres, telles que la fonte de la croûte océanique qui s’enfonce dans le manteau. Mais si au moins certaines zones à ultra-faible vitesse sont des vestiges de la Terre primitive, elles préservent une partie de l’histoire de la planète qui, autrement, a été perdue.
“Par conséquent, notre découverte fournit un outil pour comprendre l’état thermique et chimique initial du manteau terrestre”, explique Pachhai, “et leur évolution à long terme.”
Référence : « Structure interne des zones à ultra-faible vitesse cohérentes avec l’origine d’un océan de magma basal » 30 décembre 2021, Géosciences de la nature.
DOI : 10.1038 / s41561-021-00871-5
