Des géophysiciens déchiffrent de mystérieux signaux sismiques profonds

Les géophysiciens ont découvert un lien entre les ondes sismiques appelées précurseurs du PKP et les anomalies du manteau terrestre.

Une nouvelle étude révèle que les précédents signaux sismiques PKP, qui ont intrigué les scientifiques pendant des années, proviennent de régions à vitesse extrêmement faible situées au plus profond de l’Amérique du Nord et de l’océan Pacifique occidental. Ces découvertes réalisées par des chercheurs de l’Université de l’Utah relient ces régions à des caractéristiques géologiques importantes telles que des volcans chauds, en utilisant des techniques sismiques avancées pour retracer leurs origines jusqu’à la limite noyau-manteau.

Introduction au PKP et aux énigmes sismiques

Au fil des décennies qui ont suivi leur découverte, les signaux sismiques appelés précurseurs du PKP ont constitué un défi pour les scientifiques. Les régions du manteau inférieur de la Terre diffusent des ondes sismiques entrantes, qui reviennent à la surface sous forme d’ondes PKP à différentes vitesses.

L’origine des signaux précédents, qui arrivent avant les principales ondes sismiques traversant le noyau terrestre, reste floue, mais des recherches menées par des géophysiciens de l’Université de l’Utah ont apporté un nouvel éclairage sur cette mystérieuse énergie sismique.

Les ancêtres du PKP semblent se propager depuis des endroits profonds sous l’Amérique du Nord et dans l’ouest de l’océan Pacifique et pourraient être associés à des « zones de vitesse extrêmement faible », de fines couches du manteau où les ondes sismiques ralentissent considérablement, selon une étude publiée le 10 août. dans Avancées de l’AGUla revue phare de l’American Geophysical Union.

Relier les ancêtres du PKP aux caractéristiques géologiques

« Ce sont quelques-unes des caractéristiques les plus extrêmes jamais découvertes sur la planète », a déclaré l’auteur principal Michael Thorne, professeur agrégé de géologie et de géophysique à l’Université de l’Utah. « Nous ne savons pas vraiment de quoi il s’agit, mais nous savons une chose. Ce que je sais, c’est qu’ils semblent s’accumuler sous les volcans chauds.

Ces panaches sont responsables de l’activité volcanique observée dans le parc national de Yellowstone, dans les îles hawaïennes, à Samoa, en Islande et dans les îles Galapagos.

« Il semble que ces très grands volcans se trouvent depuis des centaines de millions d’années à peu près au même endroit », a déclaré Thorne. Lors de travaux antérieurs, il a également découvert l’une des plus grandes régions connues à basse vitesse extrême au monde.

« La zone est située directement sous l’île de Samoa, et Samoa est l’un des plus grands volcans chauds », a noté Thorne.

Développements dans l’analyse des ondes sismiques

Depuis près d’un siècle, les géologues utilisent les ondes sismiques pour explorer l’intérieur de la Terre, réalisant ainsi de nombreuses découvertes qui n’auraient pas été possibles autrement. Par exemple, d’autres chercheurs de l’Université de l’Utah ont caractérisé la structure du noyau interne solide de la Terre et suivi son mouvement en analysant les ondes sismiques.

Lorsqu’un tremblement de terre secoue la surface de la Terre, des ondes sismiques traversent le manteau, la couche dynamique de roches chaudes de 2 900 km d’épaisseur située entre la croûte terrestre et le noyau minéral. L’équipe de Thorne s’intéresse aux ondes qui « se dispersent » lorsqu’elles traversent des caractéristiques irrégulières qui entraînent des changements dans la composition physique du manteau. Certaines de ces vagues dispersées deviennent des précurseurs du PKP.

Thorne a cherché à déterminer exactement où cette diffusion se produit, d’autant plus que les ondes traversent le manteau terrestre deux fois, avant et après avoir traversé le noyau externe liquide de la Terre. En raison de ce double voyage à travers le manteau, il est devenu presque impossible de distinguer si les ondes précédentes provenaient du côté source ou récepteur du trajet des rayons.

Techniques de recherche innovantes en sismologie

L’équipe de Thorne, qui comprenait le professeur assistant de recherche Surya Patchai, a conçu une méthode pour modéliser les formes d’onde afin de révéler des effets cruciaux qui n’avaient pas été observés auparavant.

En utilisant la méthode avancée d’ensemble des tremblements de terre et de nouvelles observations théoriques issues de simulations de tremblements de terre, les chercheurs ont pu analyser les données de 58 tremblements de terre survenus autour de la Nouvelle-Guinée et enregistrés en Amérique du Nord après leur passage à travers la planète.

« Je peux installer des récepteurs virtuels n’importe où sur la surface de la Terre, et cela me dit à quoi devrait ressembler le sismogramme d’un tremblement de terre à cet endroit. Et nous pouvons le comparer aux enregistrements réels dont nous disposons », a déclaré Thorne. « Nous sommes désormais en mesure de prédire d’où vient cette énergie. »

Leur nouvelle méthode leur a permis de déterminer où la diffusion se produisait le long de la limite entre le noyau externe du métal liquide et le manteau, connue sous le nom de limite noyau-manteau, située à 2 900 kilomètres sous la surface de la Terre.

Interactions noyau-manteau et zones rocheuses de très basse altitude

Leurs découvertes suggèrent que les ancêtres de la PKP pourraient provenir de régions abritant des régions à vitesse extrêmement faible. Thorne soupçonne que ces couches, qui n’ont qu’une épaisseur de 20 à 40 kilomètres, se forment là où les plaques tectoniques subductrices entrent en collision avec la limite entre le noyau et le manteau dans la croûte océanique.

« Ce que nous avons découvert maintenant, c’est que ces régions à très faible vitesse ne se trouvent pas seulement sous les points chauds. Elles sont réparties dans toute la limite noyau-manteau sous l’Amérique du Nord », a déclaré Thorne. « Il semble vraiment que ces régions à très faible vitesse soient générées activement. Nous ne savons pas comment. Mais comme nous les voyons proches de la subduction, nous pensons qu’elles sont déjà dans l’atmosphère. » Basalte médio-océanique « Ce matériau fond et c’est ainsi qu’il est généré. Ensuite, la dynamique pousse ce matériau à travers le sol et éventuellement il s’accumule sous les points chauds. »

La dynamique pousse ces objets à travers la Terre et, à terme, ils s’accumuleront contre les limites de grandes provinces à faible vitesse, qui sont des éléments continentaux de composition distincte sous l’océan Pacifique et l’Afrique, selon Thorne.

« Il peut également s’accumuler sous les points chauds, mais il n’est pas clair si ces zones à très faibles émissions sont générées par le même processus », a-t-il déclaré. Il faudra attendre de futures recherches pour déterminer les conséquences d’un tel processus.

Référence : « Enquête sur les régions à vitesse extrêmement faible en tant que source de dispersion de PKP sous l’Amérique du Nord et l’océan Pacifique occidental : liens possibles avec la subduction de la croûte océanique » par Michael S. Thorne, Surya Patchai, Mingming Li, Jamie Ward et Sebastian Rust, 10 août 2024, Avancées de l’AGU.
DOI : 10.1029/2024AV001265

La recherche, financée par la National Science Foundation, a été menée en collaboration avec des géologues de l’Arizona State University et de l’Université de Leeds au Royaume-Uni.