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| © Sanne Cottaar |
A quelque 2 000 kilomètres sous nos pieds, il y a d'énormes masses de matériaux de manteau chaud qui ont déconcerté les scientifiques au cours des quatre dernières décennies.
Les blobs (amas), comme certains scientifiques ont pris l'habitude de les appeler, sont longs comme des continents et sont cent fois plus étendus que le mont Everest. Ils sont situés au fond du manteau rocheux de la Terre, au-dessus du noyau externe en fusion, un endroit si profond que les éléments de la Terre sont compressés au point d'être méconnaissables. Les blobs sont faits de roches, tout comme le reste du manteau, mais ils peuvent être plus chauds et plus lourds et détenir une clé pour reconstituer l'histoire du passé de la Terre.
Des scientifiques ont repéré ces amas pour la première fois à la fin des années 1970. Les chercheurs venaient d'inventer une nouvelle façon de regarder à l'intérieur de la Terre : la tomographie sismique. Lorsqu'un tremblement de terre secoue la planète, il libère des ondes d'énergie dans toutes les directions. Les scientifiques suivent ces ondes lorsqu'elles atteignent la surface et calculent d'où elles viennent. En examinant les temps de parcours des ondes de nombreux tremblements de terre, prises à partir de milliers d'instruments dans le monde entier, les scientifiques peuvent obtenir une image de l'intérieur de la Terre. Le processus est semblable à celui d'un médecin qui utilise un appareil à ultrasons pour visualiser un fœtus dans l'utérus.
"En fin de compte, beaucoup de gens croient que la tectonique des plaques est l'une des raisons pour lesquelles nous avons la vie sur Terre ", a déclaré la géophysicienne Harriet Lau de l'Université Harvard. Les scientifiques croient que ces blobs jouent un rôle dans de nombreux processus des profondeurs de la Terre, y compris la tectonique des plaques et le volcanisme.
Une fois que les chercheurs ont commencé à se faire une image de la Terre intérieure, ils ont découvert des choses qu'ils n'avaient jamais imaginées.
"Il était très clair dans ces modèles dès le départ qu'au fond du manteau terrestre, presque à mi-chemin du centre, il y avait d'immenses zones où les ondes voyageaient plus lentement," dit Ed Garnero, professeur de Earth and space exploration de Arizona State University.
Les zones où les ondes lentes se concentrent sont situées en deux endroits : L'une se trouve sous l'océan Pacifique, l'autre sous l'Afrique et une partie de l'océan Atlantique. Elles apparaissent comme des " montagnes massives à la jonction entre le noyau et le manteau ", a déclaré la sismologue Sanne Cottaar de l'Université de Cambridge. D'autres chercheurs les décrivent comme des gouffres de forme conique remplis de gravier, posés les uns sur les autres, ou comme des tas de sable géants. Les blobs sont si gros que s'ils se trouvaient à la surface de la Terre, la Station spatiale internationale serait obligée de passer autour d'elles.
"Ils sont pratiquement immanquables", a déclaré Karin Sigloch, sismologue à l'Université d'Oxford. "Ils apparaissent sur les images de tout le monde."
Il y a peu de doute que les blobs existent, mais les scientifiques n'ont aucune idée de ce qu'ils sont. Selon un article récent, les blobs restent énigmatiques. Les scientifiques n'arrivent même pas à savoir comment les appeler. Ils portent de nombreux noms, le plus souvent LLSVP, qui signifie "large low shear velocity provinces" [vastes zones à faible vitesse de cisaillement].
Ce mystère s'explique en partie par le fait que les géologues ont toujours été confrontés à ce problème : Ils ne pourront jamais visiter l'intérieur de la Terre. "Nous en savons moins sur ce qu'il y a sous nos pieds que sur la surface du Soleil, de la Lune ou de Mars ", a déclaré Paula Koelemeijer, chercheuse de University College London. Les scientifiques essaient constamment de trouver de nouvelles façons indirectes de voir ce qui se passe à l'intérieur de la Terre.
Heureusement, les progrès technologiques dans la détection des minuscules oscillations de la Terre, ainsi que les efforts pour équiper davantage d'endroits d'instruments, ont permis des avancées dans ce domaine. Plusieurs études récentes sur les techniques de pointe apportent de nouvelles perspectives.
Êtes-vous denses ou non ?
"Une grande partie du mystère des blobs repose sur l'identification de ce dont ils sont faits. La plupart des relevés sismiques ne permettent pas de déterminer la densité du matériau, car les variations de la vitesse des ondes dépendent de multiples facteurs, tels que la composition de la roche. Ne pas connaître la densité laisse beaucoup de "portes ouvertes", dit le physicien minéralogiste Dan Shim de l'Arizona State University.
Shim a vu le débat sur le matériel des blobs faire rage depuis qu'il était étudiant diplômé dans les années 1990. "J'ai vu toute cette controverse tout au long de ma carrière, a-t-il dit. Les chercheurs se sont disputés pour savoir si ces masses sont constituées de piles denses de roches chimiquement uniques ou de conglomérats élastiques de lampes à lave qui se dirigent vers la croûte supérieure.
Les chercheurs supposent que les blobs peuvent alimenter les volcans des points chauds (hot spot volcanoes), qui forment des chaînes d'îles océaniques comme Hawaii. Et d'autres scientifiques se demandent si ces amas n'ont pas pu alimenter les super-volcans dans le passé, contribuant potentiellement aux plus grands événements d'extinction de la Terre. Mais Shim a dit que tant que la densité des blobs n'est pas comprise, "nous ne pouvons pas passer au niveau suivant des questions".
Deux études récentes, qui ont trouvé un moyen de mesurer la densité sans les méthodes sismiques traditionnelles, suggèrent une vision plus complexe qu'auparavant.
La Terre se comportant comme une vague
Deux fois par jour, la croûte terrestre monte et descend avec les marées. Bien que nous connaissions mieux les marées océaniques, la Terre solide subit les mêmes forces que nos océans. Lorsque le Soleil et la Lune tirent sur la Terre, la planète entière fléchit et s'étire. À certains endroits, la surface de la Terre s'élève et s'abaisse jusqu'à 40 centimètres.
Les scientifiques peuvent suivre ce mouvement à l'aide de mesures GPS très sensibles. Un groupe de chercheurs dirigé par Linguo Yuan de l'Academia Sinica à Taiwan a analysé les mesures des stations GPS du monde entier pendant 16 ans et a découvert que la marée terrestre n'était pas celle à laquelle ils s'attendaient : Il semble qu'il y ait une anomalie juste au-dessus de l'endroit où se trouvaient les blobs. Les marées, écrivent-ils dans leur article de 2013, "fournissent des informations significatives sur l'intérieur plus profond de la Terre solide."
"Harriet Lau, chercheuse postdoctorale à l'Université Harvard, a entendu parler du travail de Yuan et a vu une opportunité avec l'ensemble des données mondiales. "Il se trouve que les marées de corps, ou marées de terre solide, sont très sensibles à la structure de densité, a-t-elle dit. Ces marées pourraient combler le manque de connaissances que les ondes progressives utilisées en tomographie sismique ne pourraient combler.
Lau a créé des douzaines de modèles pour expliquer les marées asymétriques de la Terre et les a comparées aux données de Yuan. Elle a constaté que les modèles qui correspondent le mieux aux données du monde réel sont ceux dont les blobs sont plus denses que le manteau environnant. Ces résultats, publiés dans Nature en 2017, soutiennent que ces amas présentent des "différences de composition" par rapport au reste du manteau.
Pendant ce temps, une autre étude a suggéré le contraire de ce que l'étude de Lau a trouvé.
Paula Koelemeijer a commencé à étudier les oscillations en mode normal en tant qu'étudiante diplômée en 2008. "A l'époque, il n'y avait pas beaucoup de gens qui s'en servaient ", dit-elle, malgré le fait qu'ils sont " une façon très puissante de penser au sujet de la Terre ". Les modes normaux révèlent des détails que les méthodes sismiques plus conventionnelles ratent mais pour lesquels il est " difficile de développer une intuition ", dit-elle.
"De nombreux sismologues analysent les ondes qui sortent de la Terre, mais toutes les ondes n'agissent pas de la même façon. Les images qui cartographient l'intérieur de la Terre utilisent ce qu'on appelle des ondes corporelles. Tout comme les ondes sonores qui traversent l'atmosphère de la bouche d'une personne à l'oreille d'une autre personne à travers la pièce, ces ondes sonores traversent la Terre d'un endroit à l'autre.
Mais il y a certains types d'ondes qui ne voyagent pas autant qu'elles ne vibrent. Ce type d'onde s'appelle une onde stationnaire, et c'est le genre qui fait vibrer une corde de violon. "Quand vous pensez à une onde stationnaire, vous regardez l'ensemble qui résonne en même temps," dit Koelemeijer. "C'est une cloche qui a été frappée et qui vibre comme un tout." Les tremblements de terre déclenchent les deux types d'ondes et les sismomètres les détectent à la surface.
Dans une étude récente de Koelemeijer, elle a choisi un type de modes normaux appelés modes Stoneley qui vibrent en fonction de la densité des blobs. Son équipe a analysé les enregistrements des mouvements du sol dans les jours qui ont suivi des tremblements de terre de grande magnitude, à la recherche des vibrations à basse fréquence des ondes stationnaires. En comparant leurs résultats avec des modèles, ils ont constaté que les blobs doivent être moins denses que le manteau environnant pour expliquer plusieurs contraintes, comme la forme du noyau.
Lorsqu'on leur a demandé comment les deux études peuvent s’accommoder, les chercheuses ont répondu que les deux pouvaient être correctes.
"Une façon de concilier Harriet Lau et mon travail, c'est que ce matériau dense n'est pas réparti sur une très grande amplitude dans les profondeurs," explique Koelemeijer. Les blobs sont peut-être plus denses dans un fragment juste à côté du noyau, un détail que Koelemeijer ne pouvait exclure dans son analyse. Lau s'est fait l'écho de cette suggestion. "Je ne m'inquiète pas du tout de cette apparente contradiction, a-t-elle dit. Les résultats les aident simplement à "peaufiner" leurs conclusions, a-t-elle dit.
Tout-à-fait 3D
Lorsque la femme du sismologue Ed Garnero était enceinte de jumeaux en 2002, il se souvient d'être allé chez le médecin pour une échographie. Malgré la nouvelle technologie d'imagerie 3D, il a déclaré que les images à basse résolution sur l'écran étaient déconcertantes. "On aurait dit que le cerveau flottait sur le côté. C'était vraiment bizarre, dit-il.
En tomographie sismique, les chercheurs sont confrontés à des problèmes similaires. Les blobs ont reçu leur surnom en partie à cause de leur forme molle et grumeleuse sur les cartes de tomographie sismique. Et si leur structure était plus subtile ? Et la connaissance de la forme des blobs pourrait-elle mieux aider les chercheurs à définir leur densité ?
En décembre dernier, Maria Tsekhmistrenko, doctorante à l'Université d'Oxford, a présenté certaines des images les plus révélatrices de ces structures à ce jour. Lors d'une session à la réunion d'automne de l'AGU, Tsekhmistrenko a montré ses cartes de tomographie sismique d'environ la moitié du blob sous l'Afrique. Les images proviennent d'un vaste projet de sismographie qui a déployé des capteurs sur le fond de l'océan autour de Madagascar.
En utilisant une sélection de différents types d'ondes, Tsekhmistrenko a révélé les côtés dentelés et inclinés du blob et ses panaches au-dessus, montrant très peu la mollesse suggérée par les premières cartes tomographiques. Pris ensemble, la structure complète ressemble à un arbre qui se ramifie jusqu'aux volcans des points chauds à la surface, a déclaré la conseillère de Tsekhmistrenko, Karin Sigloch.
Au début, Tsekhmistrenko a dit qu'ils ne croyaient pas ce qu'ils voyaient. "Nous craignions qu'il y ait un problème avec mes données, dit-elle. Puis elle s'est rendu compte qu'ils étaient corrects, même si "ça a l'air différent de ce à quoi on s'attendait".
" Vraiment en 3D ", a-t-elle ajouté.
Garnero, qui a vu la présentation, a dit que c'était "la meilleure présentation d'imagerie de l'intérieur de la Terre que j'ai vue à l'AGU." Il a ajouté que les scientifiques qui étudient le mouvement de la Terre intérieure, appelés géodynamiciens, peuvent être enthousiastes à l'idée de mettre la main sur les images de Tsekhmistrenko.
"La pente de cette structure s'avère extrêmement importante pour déduire sa densité, a-t-il dit. "C'est très important pour les géodynamiciens." Tsekhmistrenko a déjà entendu parler d'un géodynamicien qui prévoit de simuler les structures dans un futur modèle.
Malgré les progrès considérables de la sismologie, la recherche pour comprendre les blobs est "un problème interdisciplinaire en soi", a déclaré le géologue Ved Lekic de l'Université du Maryland.
"Les physiciens des minéraux, par exemple, mesurent comment les ondes traversent les roches sous une pression extraordinaire pour améliorer les modèles sismologiques. Les géochimistes fouillent la Terre pour recueillir les roches des volcans à la recherche d'indices de réservoirs chimiques uniques qui pourraient être liés aux blobs. Et les modélisateurs construisent des réseaux complexes de code pour faire évoluer le manteau sur des milliards d'années, simulant la manière dont les blobs se sont formés.
Quelle que soit la réponse, les observations sous la croûte terrestre peuvent permettre aux chercheurs d'envisager nos tout premiers débuts. "Ces questions sont très romantiques à certains égards ", a déclaré Harriet Lau. "Je suis tellement inspirée par les questions qui vont à la racine de l'existence et de l'univers."
La Terre est la seule planète connue pour avoir une tectonique des plaques [mis à part Mars, NDT], et des recherches récentes ont suggéré que la tectonique pourrait aider à perpétuer la vie en apportant à la surface un flux régulier de nutriments, comme l'azote et le phosphore. Et pourtant, les chercheurs ne sont pas certains de ce qui cause le mouvement tectonique des plaques, et encore moins les blobs.
"Je pense que leur véritable attrait fondamental et philosophique est leur mystère ", a déclaré Lekic. "Ils sont parmi les plus grandes choses à l'intérieur de la Terre, et pourtant nous ne savons littéralement pas ce qu'ils sont, d'où ils viennent, depuis combien de temps ils sont là, ou ce qu'ils font."
En fin de compte, le chemin à parcourir pour percer ces mystères pourrait être long, a dit Garnero. "C'est une découverte au ralenti, c'est un truc de communauté ", dit Garnero, qui travaille sur les blobs depuis 15 ans.
Lau, qui a l'intention d'étudier ces blobs alors qu'elle commencera sa chaire à l'Université de Californie, Berkeley, plus tard cette année, a dit qu'elle n'est pas étonnée par ce mystère. "Je pense que la science est progressive, et c'est pourquoi, par exemple, les résultats de Paula Koelemeijer ne m'ont pas particulièrement impressionnée, a-t-elle dit. "En fait, j'étais plus enthousiaste qu'autre chose."
