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Des preuves suggèrent que la subduction de plaques de la croûte terrestre peut générer des caractéristiques inhabituelles repérées à proximité du noyau.

Près de 2 900 kilomètres au-dessous de la surface de la terre, de grandes structures étranges se cachent à la base du manteau, juste au-dessus du noyau. Ce manteau est une épaisse couche de roche chaude, principalement en roche plastique, qui entoure le noyau; au sommet du manteau se trouve la mince coquille de la croûte terrestre. Sur des échelles de temps géologiques, le manteau se comporte comme un liquide visqueux, avec des éléments solides s’enfonçant dans ses profondeurs.

Des structures bizarres se cachent juste au-dessus du noyau

Les structures bizarres susmentionnées, appelées zones à très faible vélocité (ULVZ), ont été découvertes pour la première fois en 1995 par Don Helmberger, de Caltech. Les ULVZ peuvent être étudiés en mesurant comment ils modifient les ondes sismiques qui les traversent. Mais les observer ne signifie pas nécessairement les comprendre. En effet, personne n’est vraiment sûr de ce que sont ces structures.

Les ULVZ sont ainsi nommés car ils ralentissent considérablement la vitesse des ondes sismiques; par exemple, ils ralentissent de 30% les ondes de cisaillement (ondes sismiques oscillantes capables de traverser des corps solides). Les ULVZ ont plusieurs kilomètres d’épaisseur et peuvent atteindre des centaines de kilomètres. Plusieurs sont dispersés à proximité du noyau terrestre, à peu près sous la côte du Pacifique. D’autres sont regroupés sous l’Amérique du Nord, l’Europe et l’Afrique.

« Les ULVZ existent si profondément dans la terre qu’ils sont impossibles à étudier directement, ce qui pose un défi de taille lorsque l’on tente de déterminer exactement ce qu’ils sont », explique Helmberger, professeur de géophysique.

Une méthode expérimentales à haute pression pour comprendre les ULVZ

Les spécialistes de la Terre à Caltech affirment maintenant qu’ils savent non seulement de quoi sont composés les ULVZ, mais également d’où ils viennent. En utilisant des méthodes expérimentales à haute pression, les chercheurs, dirigés par le professeur de physique minérale Jennifer Jackson, ont découvert que les ULVZ étaient constitués de morceaux de magnésium / oxyde de fer appelé magnesiowüstite qui aurait pu précipiter hors d’un océan de magma à la base du manteau il y a des millions d’années.

L’autre théorie dominante de la formation des ULVZ suggère qu’elles consistent en un matériau fondu, dont une partie peut s’échapper du noyau.

Jackson et ses collègues, qui ont rendu compte de leurs travaux dans un récent article dans le Journal of Geophysical Research: Solid Earth, ont trouvé des preuves à la théorie des magnésiowüstites en étudiant l’anisotropie élastique (ou sismique) du minéral – l’anisotropie élastique est une variation de la vitesse à laquelle les ondes sismiques traversent un minéral en fonction de leur direction.

Une caractéristique particulièrement inhabituelle de la région où les ULVZ existent – la limite du noyau-manteau (CMB) – est qu’elle est hautement hétérogène (de caractère non uniforme) et anisotrope. En conséquence, la vitesse à laquelle les ondes sismiques traversent le CMB varie en fonction non seulement de la région traversée par les ondes, mais également de la direction dans laquelle elles se déplacent. La direction de propagation peut en effet modifier la vitesse des ondes d’un facteur de trois.

« Auparavant, les scientifiques expliquaient cette anisotropie à la suite du passage d’ondes sismiques dans un matériau de silicate dense. Ce que nous proposons, c’est que dans certaines régions, l’alignement de magnesiowüstite dans les ULVZ est très important », explique Jackson.

Ce minéral devient fortement anisotrope

Aux pressions et aux températures subies à la surface de la terre, la magnésiowüstite présente peu d’anisotropie. Toutefois, Jackson et son équipe ont découvert que ce minéral devient fortement anisotrope lorsqu’il est soumis à des pressions comparables à celles du manteau inférieur.

Jackson et ses collègues ont découvert cela en plaçant un monocristal de magnesiowüstite dans une cellule à enclume de diamant; qui est essentiellement une minuscule chambre située entre deux diamants. Lorsque les diamants sont comprimés l’un contre l’autre, la pression à l’intérieur de la chambre augmente.

enclume-de-diamantsL’enclume de diamant dans laquelle des échantillons de magnésiowüstite ont été placés sous une pression extrême pour les étudier.
(Crédit: Jennifer Jackson / Caltech)

Jackson et ses collègues ont ensuite bombardé l’échantillon avec des rayons X. L’interaction des rayons X avec l’échantillon agit comme une approximation de la façon dont les ondes sismiques se déplaceront à travers le matériau. À une pression de 40 gigapascals, soit l’équivalent de la pression dans le manteau inférieur, la magnésiowustite était significativement plus anisotrope que les observations sismiques des ULVZ.

Afin de créer des objets aussi grands et fortement anisotropes que les ULVZ, seule une petite quantité de cristaux de magnésiowüstite doit être alignée dans une direction spécifique, probablement en raison de la pression exercée par une puissance force extérieure. Cela pourrait s’expliquer par une dalle de la croûte terrestre qui se faufile vers le CMB, explique Jackson.

(La subduction se produit à certaines limites entre les plaques tectoniques de la Terre, où une plaque plonge sous une autre, provoquant un volcanisme et des tremblements de terre.)

Les dalles contribuent à façonner les ULVZ

« Les scientifiques sont encore en train de chercher à découvrir ce qui arrive à la croûte quand elle en processus de subduction sous le manteau », explique Jackson. « Une des possibilités, que nos recherches semblent maintenant soutenir, est que ces dalles poussent jusqu’aux limites du manteau central et contribuent à façonner les ULVZ. »

Jackson prévoit ensuite d’étudier l’interaction entre des plaques de subduction, des ULVZ et leurs signatures sismiques. L’interprétation de ces caractéristiques aidera à placer des contraintes sur les processus qui se sont produits au début de l’histoire de la Terre, explique-t-elle.

L’étude s’intitule : « Strongly Anisotropic Magnesiowüstite in Earth’s Lower Mantle. ». Jackson a collaboré avec l’ancien chercheur post-doctoral de Caltech, Gregory Finkelstein, actuellement à l’Université d’Hawaï, qui était l’auteur principal de cette étude. Parmi ses autres collègues, citons Wolfgang Sturhahn, visiteur en géophysique à Caltech; ainsi que Ayman Said, Ahmet Alatas, Bogdan Leu et Thomas Toellner du Argonne National Laboratory, en Illinois. Cette recherche a été financée par la National Science Foundation et l’Institut W. M. Keck pour les études spatiales.

Source : Caltech