Lorsqu'un tremblement de terre frappe, les sismomètres à proximité captent ses vibrations sous forme d'ondes sismiques. En plus de révéler l'épicentre d'un séisme, les ondes sismiques peuvent donner aux scientifiques un moyen de cartographier les structures intérieures de la Terre, un peu comme une tomodensitométrie image le corps.

En mesurant la vitesse à laquelle les ondes sismiques se propagent à différentes profondeurs, les scientifiques peuvent déterminer les types de roches et d'autres matériaux qui se trouvent sous la surface de la Terre. L'exactitude de ces cartes sismiques dépend de la compréhension des scientifiques de la façon dont divers matériaux affectent les vitesses des ondes sismiques.

Aujourd'hui, des chercheurs du MIT et de l'Australian National University ont découvert que les ondes sismiques sont essentiellement aveugles à une substance très commune trouvée à l'intérieur de la Terre :l'eau.

Leurs découvertes, publié aujourd'hui dans la revue La nature , aller à l'encontre d'une hypothèse générale selon laquelle l'imagerie sismique peut détecter des signes d'eau profondément dans le manteau supérieur de la Terre. En réalité, l'équipe a découvert que même des quantités infimes d'eau n'ont aucun effet sur la vitesse à laquelle les ondes sismiques se déplacent.

Les résultats pourraient aider les scientifiques à réinterpréter les cartes sismiques de l'intérieur de la Terre. Par exemple, dans des endroits tels que les dorsales médio-océaniques, le magma des profondeurs de la Terre éclate à travers des fissures massives dans le fond marin, s'écartant de la dorsale et finalement se solidifiant en une nouvelle croûte océanique.

Le processus de fonte à des dizaines de kilomètres sous la surface élimine d'infimes quantités d'eau que l'on trouve dans les roches à plus grande profondeur. Les scientifiques ont pensé que les images sismiques montraient cette transition "humide-sèche", correspondant à la transition des plaques tectoniques rigides au manteau déformable en dessous. Cependant, les découvertes de l'équipe suggèrent que l'imagerie sismique peut détecter des signes d'absence d'eau, mais plutôt, fonte - de minuscules poches de roche en fusion.

"Si nous voyons de très fortes variations [des vitesses sismiques], il est plus probable qu'elles fondent, " dit Ulrich Faul, chercheur au Département de la Terre du MIT, Atmosphérique, et sciences planétaires. "L'eau, sur la base de ces expériences, n'est plus un acteur majeur dans ce sens. Cela changera la façon dont nous interprétons les images de l'intérieur de la Terre."

Les co-auteurs de Faul sont l'auteur principal Christopher Cline, avec Emmanuel David, André Berry, et Ian Jackson, de l'Université nationale australienne.

Une torsion sismique

Faul, Cline, et leurs collègues ont initialement cherché à déterminer exactement comment l'eau affecte la vitesse des ondes sismiques. Ils ont supposé, comme la plupart des chercheurs l'ont fait, que l'imagerie sismique peut "voir" l'eau, sous forme de groupes hydroxyle au sein de grains minéraux individuels dans les roches, et sous forme de poches d'eau à l'échelle moléculaire piégées entre ces grains. L'eau, même en petites quantités, est connu pour affaiblir les roches profondément à l'intérieur de la Terre.

« On savait que l'eau a un effet fort en très petite quantité sur les propriétés des roches, " dit Faul. " A partir de là, l'inférence était que l'eau affecte également considérablement la vitesse des ondes sismiques. »

Pour mesurer dans quelle mesure l'eau affecte la vitesse des ondes sismiques, l'équipe a produit différents échantillons d'olivine - un minéral qui constitue la majorité du manteau supérieur de la Terre et détermine ses propriétés. Ils ont piégé diverses quantités d'eau dans chaque échantillon, puis placé les échantillons un par un dans une machine conçue pour tordre lentement une roche, semblable à tordre un élastique. Les expériences ont été faites dans un four à hautes pressions et températures, afin de simuler des conditions au plus profond de la Terre.

"Nous tordons l'échantillon à une extrémité et mesurons l'amplitude et le délai de la contrainte résultante à l'autre extrémité, " dit Faul. "Cela simule la propagation des ondes sismiques à travers la Terre. L'ampleur de cette contrainte est similaire à la largeur d'un cheveu humain fin - pas très facile à mesurer à une pression de 2, 000 fois la pression atmosphérique et une température qui approche la température de fusion de l'acier."

L'équipe s'attendait à trouver une corrélation entre la quantité d'eau dans un échantillon donné et la vitesse à laquelle les ondes sismiques se propageraient à travers cet échantillon. Lorsque les échantillons initiaux n'ont pas montré le comportement attendu, les chercheurs ont modifié la composition et mesuré à nouveau, mais ils ont continué à obtenir le même résultat négatif. Finalement, il est devenu inévitable que l'hypothèse originale était incorrecte.

"D'après nos mesures [de torsion], les rochers se comportaient comme s'ils étaient secs, même si nous pouvions clairement analyser l'eau là-dedans, " dit Faul. " A ce moment-là, nous savions que l'eau ne faisait aucune différence."

Un rocher, enfermé

Un autre résultat inattendu des expériences était que la vitesse des ondes sismiques semblait dépendre de l'état d'oxydation d'une roche. Toutes les roches sur Terre contiennent certaines quantités de fer, à divers états d'oxydation, tout comme le fer métallique sur une voiture peut rouiller lorsqu'il est exposé à une certaine quantité d'oxygène. Les chercheurs ont trouvé, presque involontairement, que l'oxydation du fer dans l'olivine affecte la façon dont les ondes sismiques traversent la roche.

Cline et Faul sont arrivés à cette conclusion après avoir dû reconfigurer leur dispositif expérimental. Pour mener à bien leurs expériences, l'équipe enferme généralement chaque échantillon de roche dans un cylindre fait de nickel et de fer. Cependant, à mesurer la teneur en eau de chaque échantillon dans ce cylindre, ils ont découvert que les atomes d'hydrogène dans l'eau avaient tendance à s'échapper de la roche, à travers le boîtier métallique. Pour contenir de l'hydrogène, ils ont remplacé leur boîtier par un boîtier en platine.

À leur grande surprise, ils ont découvert que le type de métal entourant les échantillons affectait leurs propriétés sismiques. Des expériences séparées ont montré que ce qui a en fait changé était la quantité de Fe3+ dans l'olivine. Normalement, l'état d'oxydation du fer dans l'olivine est de 2+. Comme il s'avère, la présence de Fe3+ produit des imperfections qui affectent la vitesse des ondes sismiques.

Faul dit que les découvertes du groupe suggèrent que les ondes sismiques peuvent être utilisées pour cartographier les niveaux d'oxydation, comme dans les zones de subduction - régions de la Terre où les plaques océaniques s'enfoncent dans le manteau. Sur la base de leurs résultats, cependant, l'imagerie sismique ne peut pas être utilisée pour imager la répartition de l'eau à l'intérieur de la Terre. Ce que certains scientifiques ont interprété comme de l'eau peut en fait être de la fonte - une idée qui peut changer notre compréhension de la façon dont la Terre déplace ses plaques tectoniques au fil du temps.

"Une question sous-jacente est de savoir ce qui lubrifie les plaques tectoniques sur Terre, " dit Faul. "Nos travaux soulignent l'importance de petites quantités de fonte à la base des plaques tectoniques, plutôt qu'un manteau humide sous des plaques sèches. Dans l'ensemble, ces résultats peuvent aider à éclairer le cycle volatil entre l'intérieur et la surface de la Terre."