Grâce à l’étude d’un séisme survenu en
Bolivie en 1994, des chercheurs ont mis en évidence des irrégularités de
quelques kilomètres de hauteur dans la frontière entre le manteau
inférieur et le manteau supérieur de la Terre.
Le 9 juin 1994, un séisme de magnitude 8,2 a fait trembler la Bolivie. Grâce à de nouvelles méthodes d’analyse, Wenbo Wu, de l’Académie des sciences chinoise et de l’université Princeton, et ses collègues ont analysé les ondes sismiques alors mesurées pour étudier la structure interne de la planète. Et ils ont découvert des structures irrégulières à 660 kilomètres de profondeur, avec un relief accidenté similaires à celui des montagnes à la surface de la Terre.
Les géophysiciens utilisent depuis longtemps les ondes sismiques pour cartographier la structure interne de la Terre. Le globe terrestre ressemble à un oignon, avec un empilement de couches successives séparés par des interfaces : la croûte terrestre en surface, puis le manteau, avec une partie inférieure et une partie supérieure, et au centre, le noyau terrestre. Lorsque les ondes sismiques rencontrent une discontinuité géologique, leur vitesse de propagation varie, car les propriétés physiques de la roche dans laquelle elles se propagent changent. C’est ainsi que l’on sait que le manteau n’est pas homogène : son principal composant, l’olivine, change de structure à mesure que la pression et la température augmentent avec la profondeur. Vers 400 kilomètres de profondeur (à une température de 1 800 kelvins et une pression de 22 gigapascals), l’olivine, peu dense, se transforme en ringwoodite, plus dense. Cette zone de transition se termine vers 660 kilomètres de profondeur, où la ringwoodite devient à son tour de la bridgmanite, plus compacte et moins visqueuse. C’est cette transition à 660 kilomètres définit la frontière entre le manteau supérieur du manteau inférieur.
L’existence de cette frontière entre les couches supérieure et inférieure du manteau est un casse-tête pour les géologues. Est-elle uniquement liée à la différence de structure cristalline de l’olivine ou serait-elle aussi corrélée à un changement de la composition chimique du manteau ? Cela aurait des conséquences sur la dynamique globale dans le manteau : la roche chauffée à la frontière entre le manteau et le noyau remonte-t-elle avec des mouvements convectifs sur toute la hauteur du manteau, ou s’arrête-t-elle à la zone de transition ? Dans le premier cas, le manteau serait bien mélangé et donc homogène, alors que dans le second cas il aurait deux compositions distinctes. Jusqu’à présent, les observations, très limitées et contradictoires, ne permettent pas aux géologues de trancher.
Fort heureusement, les changements de phase de l’olivine sont une aubaine pour les géologues qui utilisent les ondes sismiques pour sonder cette région de transition. À partir de différents enregistrements sismiques, des variations de 30 à 40 kilomètres de hauteur sur des échelles de plusieurs centaines de kilomètres avaient été mises en évidence dans la topographie de la frontière à 660 kilomètres de profondeur. Ces structures seraient associées à des hétérogénéités thermiques dans le manteau. Mais à l’échelle de quelques kilomètres, la limite entre manteau inférieur et supérieur est-elle lisse ou irrégulière ?
Wenbo Wu et ses collègues ont utilisé les données de 15 stations proches de l’épicentre du séisme en Bolivie de 1994 – le deuxième séisme profond le plus puissant jamais enregistré. Ils ont étudié des ondes sismiques exotiques ayant traversé le noyau terrestre dans un sens puis dans l’autre (appelées ondes PKPPKP ou P’P’). Durant leur trajet, ces ondes « enregistrent » les irrégularités qu’elles rencontrent, ce qui permet aux chercheurs, qui combinent ces observations à des simulations, de cartographier précisément ces irrégularités. Résultat : la partie supérieure de la zone de transition, à 400 kilomètres, semble lisse, mais l’interface à 660 kilomètres est irrégulière à petite échelle, avec des ondulations de 1 à 3 kilomètres de hauteur.
D’après Wenbo Wu, des irrégularités à si petite échelle ne peuvent pas être le résultat d’anomalies dans la distribution de la chaleur car ces dernières devraient se lisser sur des échelles de temps de quelques millions d’années. Les irrégularités sont donc plus probablement le fait d’une hétérogénéité dans la composition du manteau, ce qui appuie l’hypothèse d’un manteau composé de deux réservoirs géologiques distincts.
D’où viendrait cette différence de composition chimique ? Une hypothèse est que les plaques de la croûte terrestre qui s’enfoncent dans le manteau dans les zones de subduction s’accumuleraient en profondeur. En outre, certaines parties de la frontière à 660 kilomètres de profondeur sont plus lisses que les autres. La discontinuité de composition ne serait ainsi pas être globale : les plaques de la croûte pourraient finir par plonger dans le manteau inférieur.
La dynamique du manteau pourrait ainsi être plus complexe qu’on ne le pensait, avec des régions où la convection serait limitée au manteau inférieur, bloquée par la zone de transition, et d’autres où elle se poursuivrait jusqu’en haut du manteau. Ce tableau aurait des répercussions importantes sur l’estimation des flux de chaleurs dans la le globe terrestre, dans la modélisation des courants de convection à l’origine des phénomènes tectoniques, et donc plus généralement dans de très nombreux phénomènes géologiques (volcanisme de point chaud, processus tectoniques…).
https://www.pourlascience.fr/sd/geosciences/des-montagnes-a-660-kilometres-sous-nos-pieds-16424.php
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