Les ondes sismiques nous permettent d'imager la structure du manteau profond. © 3D motion, Adobe Stock
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On comprend désormais mieux ce qui se cache au fond du manteau terrestre

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L'intérieur de la Terre se dévoile un peu plus chaque jour. Grâce à des signaux sismiques de haute fréquence, des chercheurs ont réussi à imager la base du manteau de manière bien plus précise qu'auparavant. Ils précisent notamment la composition et l'architecture de certaines zones à très faible vitesse.

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Les profondeurs de la Terre réservent encore bien des mystères. La difficulté d'imager les couches les plus internes de notre Planète fait que de nombreuses questions persistent encore à ce jour, notamment sur la composition, mais également sur ce qui anime le manteau terrestre profond. Depuis quelque temps, certaines structures énigmatiques attirent cependant tout particulièrement l'attention des scientifiques.

À l'interface entre le noyau externe et le manteau, les ondes sismiques révèlent en effet la présence de grandes structures caractérisées par de très faibles vitesses sismiques. Ces zones contrastent avec le reste du manteau profond, qui est associé à l'inverse à de fortes vitesses des ondes, en lien avec l'énorme pression qui règne à ces profondeurs. Les hypothèses pour expliquer ces ULVZ (pour Ultra-Low Velocity Zones, zones à très faibles vitesses) vont bon train. Mais leur étude se heurte à la difficulté d'obtenir des données de bonne qualité qui permettent de les caractériser avec précision.

Une imagerie plus précise des ULVZ

Grâce à l'analyse de certaines ondes sismiques diffractées le long de l'interface noyau-manteau, des chercheurs des universités de Cambridge et d'Oxford ont réussi à obtenir de nouvelles « images » de ces structures, nichées à quelque 2.800 kilomètres de profondeur sous nos pieds. Des images bien plus précises que celles obtenues jusqu'à présent, et qui permettent d'émettre de nouvelles hypothèses sur leur composition et leur fonctionnement.

Coupe de la Terre montrant les principales enveloppes. Les anomalies étudiées se situent à l'interface entre le noyau externe (outer core) et le manteau (mantle). © Volcan26, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

La zone étudiée se situe à la base du panache mantellique d'Hawaï, bien loin sous l'île du même nom. Ce panache est une colonne de manteau chaud qui remonte de la base du manteau jusqu'à la surface, donnant naissance à un intense volcanisme de point chaud. Or, il apparaît que ce panache prend sa source au niveau d'une ULVZ, qui se présente sous la forme d'un blob d'une vingtaine de kilomètres de haut. Jusqu'à présent, ce type de « petite » structure (comparativement à l'échelle de la Terre), était quasi invisible, car situé sous la résolution limite des modèles tomographiques, qui définissent la structure de la Terre à l’aide des ondes sismiques générées par les grands séismes.

La méthode numérique développée par les chercheurs dans l'article publié dans la revue Nature Communications a permis d'analyser un signal sismique de haute fréquence. Un moyen d'imager avec une précision de l'ordre du kilomètre la zone à faible vitesse à la base du panache d'Hawaï.  

Des zones enrichies en fer

Leurs résultats suggèrent que l'architecture interne de cette ULVZ est très complexe, avec certainement une composition hétérogène. L'analyse du signal de haute fréquence et la modélisation de la structure interne suggèrent en particulier que les ULVZ seraient enrichies en fer, un élément normalement caractéristique du noyau terrestre sous-jacent. La quantité de fer serait d'ailleurs variable, la base de l'ULVZ en étant plus riche que sa partie supérieure. Cette anomalie de composition, avec la présence d'une certaine proportion de liquide magmatique, permettrait d'expliquer la réduction de près de 40 % de la vitesse des ondes sismiques par rapport au reste du manteau profond.

Modèle développé par les chercheurs grâce à l'analyse de certaines ondes sismiques. La zone à faible vitesse se situe à la base du panache mantellique d'Hawaï et montre un enrichissement hétérogène en fer. © Li et al. 2022, Nature Communications, CC By 4.0

Cet enrichissement en fer pourrait être expliqué par plusieurs hypothèses. Il a déjà été suggéré que les ULVZ représentaient les restes de l’ancien océan de magma, qui a précédé la formation de la croûte terrestre au tout début de l'histoire de la Terre. Dans ce cas, la stratification observée dans la répartition du fer serait un indice du fractionnement du fer durant les différentes étapes de la cristallisation de cet « océan » de roche fondue.

Une autre hypothèse est que cette composition est liée aux impacts météoritiques qu'a connus la Terre au cours de son histoire. Le fer contenu dans les astéroïdes ayant frappé la Terre se serait mélangé aux silicates du manteau et accumulé à l'interface avec le noyau.

Une dernière hypothèse envisage que le fer soit issu directement du noyau externe. Celui-ci aurait en effet la possibilité d'exsolver certains éléments chimiques, ce processus étant suspecté de participer notamment à l’effet géodynamo qui est à l’origine du champ magnétique de la Terre.

En dehors de ces hypothèses qui restent à vérifier, il apparaît que ces zones particulièrement chaudes participent aux importantes variations du flux de chaleur enregistrées au niveau de la transition noyau-manteau. En ce sens, les ULVZ pourraient avoir un rôle majeur dans la convection du manteau et donc participer à la génération des points chauds mais également de la géodynamo.

 

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