Des mondes engloutis sous le Pacifique ?
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Des géophysiciens de l'ETH Zurich mettent en évidence, dans le manteau terrestre inférieur, des zones dans lesquelles les ondes sismiques se comportent différemment de ce que l'on pensait. Cela indique des zones rocheuses plus froides ou d'une composition différente de celle des roches environnantes. Cette découverte remet en question la compréhension actuelle de la tectonique des plaques.
Grâce à un nouveau modèle, les chercheurs mettent en évidence des zones du manteau terrestre inférieur où les ondes sismiques se déplacent plus lentement (en rouge) ou plus rapidement (en bleu). La grande zone bleue du Pacifique occidental (à droite au-dessus du centre de l'image) n'était pas connue jusqu'à présent. (Graphique : Sebastian Noe / ETH Zurich)
En bref
- Les scientifiques de la Terre utilisent un modèle à haute résolution pour étudier le manteau terrestre. Ils veulent ainsi découvrir où se trouvent les matériaux en plaques qui se sont enfoncés dans les entrailles de la Terre.
- La nouvelle modélisation met en évidence des zones situées sous l'océan Pacifique occidental, où aucun matériau de ce type n'a été découvert jusqu'à présent et où, selon les idées reçues, il ne devrait pas y en avoir.
- Ces résultats bouleversent la compréhension actuelle du fonctionnement de la Terre. Il faut donc encore améliorer les modèles pour définir plus précisément ce matériau.
Personne ne peut voir l'intérieur de la Terre. Personne ne peut non plus forer assez profondément pour prélever des échantillons de roche dans le manteau terrestre, entre la lithosphère et le noyau de la Terre, ou pour y mesurer la température et la pression. C'est pourquoi les géophysiciens utilisent des méthodes indirectes pour voir ce qui se passe profondément sous nos pieds.
Ils utilisent par exemple des sismogrammes, c'est-à-dire des enregistrements de tremblements de terre, pour déterminer la vitesse de propagation des ondes sismiques. Ils calculent ainsi la structure interne de la Terre. C'est un peu comme les médecins qui utilisent les ultrasons pour visualiser les organes, les muscles ou les veines à l'intérieur du corps sans l'ouvrir.
Les ondes sismiques fournissent des informations
Voici comment cela se passe : Lorsque la terre tremble, des ondes sismiques se propagent dans toutes les directions à partir de leur foyer. Sur leur chemin, elles sont réfractées, diffractées ou réfléchies. La vitesse de propagation des ondes dépend du type d'onde en question, mais aussi de la densité et de l'élasticité du matériau qu'elles traversent. Les stations sismographiques enregistrent ces ondes les plus diverses et, grâce à ces enregistrements, les géophysiciens peuvent déduire la structure et la nature de la Terre et étudier les processus qui se déroulent à l'intérieur de celle-ci.
C'est ainsi que les scientifiques de la Terre ont déterminé, à l'aide des enregistrements sismiques, la position des plaques tectoniques submergées dans l'ensemble du manteau terrestre. Ils les ont toujours trouvées là où ils les attendaient : dans les zones dites de subduction, c'est-à-dire là où deux plaques se rencontrent et où l'une plonge sous l'autre à l'intérieur de la Terre. Cela a permis aux scientifiques d'étudier le cycle de la tectonique des plaques, c'est-à-dire la formation et la destruction des plaques à la surface de la Terre au cours de son histoire.
Des restes de plaques là où il ne peut pas y en avoir
Mais voilà qu'une équipe de géophysiciens de l'ETH Zurich et du California Institute of Technology fait une découverte surprenante : grâce à un nouveau modèle à haute résolution, ils trouvent à l'intérieur de la Terre d'autres zones qui ressemblent à des restes de plaques immergées. Celles-ci ne se trouvent toutefois pas là où on les attendait, mais aussi sous de grands océans ou à l'intérieur de continents - loin des frontières des plaques. Or, il n'y a là aucun indice géologique d'une subduction passée depuis longtemps. Cette étude a été publiée récemment dans la revue spécialisée Scientific Reports.
La nouveauté de leur approche de modélisation réside dans le fait que les chercheurs de l'ETH utilisent non pas un seul type d'ondes sismiques pour étudier la structure de l'intérieur de la Terre, mais toutes. Les spécialistes appellent ce procédé "Full Waveform Inversion". Cela rend le modèle très exigeant en termes de calcul, raison pour laquelle les chercheurs ont utilisé le superordinateur Piz Daint au CSCS de Lugano. Un monde révolu se cache-t-il sous l'océan Pacifique ?
"Apparemment, de telles zones sont beaucoup plus répandues dans le manteau terrestre qu'on ne le pensait jusqu'à présent", explique Thomas Schouten, premier auteur et doctorant à l'Institut de géologie de l'ETH Zurich.
L'une des zones récemment découvertes se situe sous l'ouest de l'océan Pacifique. Or, selon les théories et les connaissances courantes en matière de tectonique des plaques, il ne devrait pas y avoir là de matériaux provenant de plaques submergées, car il est impossible qu'il y ait eu des zones de subduction à proximité dans l'histoire géologique récente. Les chercheurs ne savent toutefois pas de quel matériau il s'agit, ni ce que cela signifie pour la dynamique à l'intérieur de la Terre.
"C'est notre dilemme. Avec le nouveau modèle à haute résolution, nous voyons certes de telles anomalies partout dans le manteau terrestre. Mais nous ne savons pas exactement ce qu'elles sont, ni quel type de matériau génère les modèles que nous avons mis en évidence".
C'est comme un médecin qui, pendant des décennies, examine la circulation sanguine à l'aide d'ultrasons et trouve des artères exactement là où il pense qu'elles se trouvent, explique le professeur de l'ETH Andreas Fichtner. "Mais si on lui donne un nouvel instrument d'examen plus performant, il voit soudain dans la fesse une artère qui n'y a pas vraiment sa place. C'est exactement ce qui se passe pour nous avec les nouvelles découvertes", explique le physicien des ondes. Il a développé le modèle dans son groupe et écrit le code.
Tirer plus d'informations des ondes
Les chercheurs ne peuvent donc pour l'instant que spéculer. "Nous pensons que les anomalies dans le manteau terrestre inférieur ont des origines multiples", précise Thomas Schouten. Selon lui, il est possible qu'elles ne soient pas simplement constituées de plaques froides qui ont plongé au cours des 200 derniers millions d'années. "Il pourrait s'agir soit de matériaux très anciens, riches en silicates, qui sont là depuis la formation du manteau terrestre il y a quatre milliards d'années et qui ont survécu dans le manteau malgré les mouvements de convection. Ou bien il pourrait s'agir de zones où des roches riches en fer se sont accumulées pendant des milliards d'années à la suite de ces mouvements du manteau", explique-t-il.
Pour le géologue, cela signifie surtout qu'il faut davantage de recherches avec des modèles encore plus performants pour voir plus de détails à l'intérieur de la Terre. "Les ondes que nous utilisons pour le modèle ne reproduisent essentiellement qu'une seule propriété, à savoir la vitesse à laquelle elles traversent l'intérieur de la Terre", lance Thomas Schouten. Mais cela ne rend pas compte de la complexité de l'intérieur de la Terre. "Nous devons calculer les différents paramètres matériels qui pourraient produire les vitesses observées des différents types d'ondes. Nous devons essentiellement nous pencher sur les propriétés des matériaux qui se cachent derrière la vitesse des vagues", souligne Thomas Schouten.