Quand une marée côtière se déroule, il peut révéler de belles ondulations dans le sable temporairement exposé. Ces mêmes motifs ondulants peuvent également être observés dans les anciens, des fonds marins pétrifiés qui ont été exposés dans diverses parties du monde et préservés pendant des millions, voire des milliards d'années.

Les géologues se tournent vers les anciennes ondulations du sable pour trouver des indices sur les conditions environnementales dans lesquelles elles se sont formées. Par exemple, l'espacement entre les ondulations est proportionnel à la profondeur de l'eau et à la taille des vagues qui ont modelé les ondulations sous-jacentes.

Mais les ondulations du sable ne sont pas toujours parfaitement parallèles, des copies carbone l'une de l'autre, et peut afficher divers plis et tourbillons. Est-ce que ces plus subtils, des déviations ou des défauts apparemment aléatoires nous disent-ils quelque chose sur les conditions dans lesquelles un fond marin sablonneux s'est formé ?

La réponse, selon des chercheurs du MIT et d'ailleurs, est oui. Dans un article publié en ligne et paru dans le numéro du 1er octobre de Géologie , l'équipe rapporte que certains défauts courants trouvés dans les fonds marins anciens et modernes sont associés à certaines conditions de vagues. En particulier, leurs résultats suggèrent que des défauts d'ondulation ressemblant à des sabliers, des zigzags, et les diapasons ont probablement été façonnés dans des périodes de flux environnementaux - par exemple, lors de fortes tempêtes, ou des changements importants dans les courants de marée.

"Le type de défaut que vous voyez dans les ondulations pourrait vous dire à quel point les changements de conditions météorologiques étaient dramatiques à l'époque, " dit Taylor Perron, professeur agrégé de géologie et directeur associé du département de la Terre du MIT, Sciences de l'atmosphère et des planètes (EAPS). "Nous pouvons utiliser ces défauts comme empreintes digitales pour dire non seulement quelles étaient les conditions moyennes dans le passé, mais comment les choses changeaient."

Les défauts d'ondulation dans les anciens lits de sable peuvent également influencer la façon dont les fluides s'écoulent à travers les roches sédimentaires, y compris les réservoirs souterrains qui retiennent l'eau, pétrole et gaz, voire du dioxyde de carbone stocké, selon Perron.

En outre, il dit, les motifs d'ondulation dans le sable moderne agissent pour rendre le fond marin rugueux, ralentir les courants océaniques près du rivage. Savoir comment les ondulations changent en réponse aux vagues et aux marées changeantes peut donc aider à prévoir l'érosion côtière et les inondations.

Les co-auteurs de Perron sur le papier sont l'ancienne étudiante diplômée du MIT Kimberly Huppert '11, doctorat '17, ancienne étudiante de premier cycle et postdoctorante actuelle Abigail Koss '12, Paul Myrow du Colorado College, et ancien premier cycle Andrew Wickert '08 de l'Université du Minnesota.

Rides préservées

L'équipe a commencé à étudier l'importance des défauts d'ondulation il y a plusieurs années, quand Myrow, qui à l'époque passait son congé sabbatique au MIT, a montré à Perron des photos qu'il avait prises de roches sédimentaires gravées d'ondulations et de rainures. Les rochers étaient, En réalité, d'anciens lits de sable vieux de centaines de millions d'années.

Des ondulations sculptées par les vagues se forment lorsque les vagues traversent la surface d'un corps de liquide. Ces vagues font tourner l'eau sous la surface autour et autour, générant des flux oscillants qui ramassent les grains de sable et les déposent dans un processus qui finit par creuser des creux et des rainures dans le lit de sable.

Mais comment des motifs aussi délicats ont-ils pu être préservés pendant des millions d'années ? Perron dit que divers processus pourraient essentiellement mettre en place des ondulations. Par exemple, si le niveau de l'eau baisse soudainement, il pourrait laisser les ondulations d'un lit de sable exposées à l'air, les sécher et les durcir dans une certaine mesure, de sorte qu'ils ont conservé leurs modèles alors même que davantage de sédiments se sont lentement superposés sur eux pendant des milliards d'années.

De la même manière, si un sédiment plus fin comme de la boue ou du limon recouvre un lit de sable, comme après une grosse tempête, ces sédiments pourraient couvrir les ondulations existantes. Comme l'explique Perron, ce serait essentiellement "les armer, empêcher les vagues d'éroder les ondulations avant que davantage de sédiments ne les enfouissent." Au fil du temps, les sédiments se transforment en roche car ils sont enfouis profondément sous la surface de la Terre. Plus tard, la roche recouvrant les ondulations peut naturellement s'éroder, exposant à nouveau les ondulations conservées à la surface.

En regardant à travers des photos d'ondulations de sable, Perron et Myrow ont remarqué de petits défauts ressemblant à des diapasons, des zigzags, et des sabliers, à travers les lits de sable anciens et modernes.

"Les gens ont déjà remarqué ces défauts, mais on s'est demandé, sont-ils juste aléatoires, ou contiennent-ils réellement des informations ?" dit Perron.

Pagayer dans les vagues

Les chercheurs ont entrepris d'étudier les diverses conditions d'onde qui génèrent certains modèles d'ondulation et défauts. Pour faire ça, ils ont construit un réservoir à vagues en acrylique mesurant 60 centimètres de large, 50 centimètres de profondeur, et 7 mètres de long. A une extrémité du réservoir, ils ont attaché une pagaie à moteur, qui se balançait d'avant en arrière pour générer des vagues qui traversaient le réservoir.

A l'autre bout du réservoir, ils ont érigé une "plage" artificielle en pente recouverte d'un maillage en polymère. Cette configuration a permis de minimiser les réflexions des vagues :lorsqu'une vague s'est écrasée sur la plage artificielle, l'énergie s'est dissipée dans le maillage au lieu de rejaillir et d'influencer les vagues venant en sens inverse.

L'équipe a rempli le réservoir d'un lit de sable fin de 5 centimètres d'épaisseur et suffisamment d'eau pour atteindre 40 centimètres de profondeur. Pour chaque expérience, ils règlent la pagaie pour qu'elle se déplace d'avant en arrière à une distance constante, et enregistré le lit de sable au fur et à mesure que des ondulations se formaient. À un certain point, ils ont observé que les ondulations - et en particulier, l'espacement entre les ondulations-atteint une écurie, modèle cohérent. Ils ont enregistré cet espacement, ainsi que la vitesse et l'amplitude de la pagaie, puis, plus de 32 essais expérimentaux, augmenté ou diminué le mouvement de la pagaie, les ondulations se transforment à nouveau en un espacement plus large ou plus étroit.

De façon intéressante, ils ont trouvé que, en train de s'adapter à un nouvel espacement, des ondulations formaient des défauts intermédiaires ressemblant à des zigzags, sabliers, et diapasons, en fonction des conditions de vagues fixées par la pagaie du réservoir.

Alors que les chercheurs raccourcissaient le mouvement de va-et-vient de la pagaie, cela a créé des vagues plus courtes, ondulations plus étroites, et des motifs qui ressemblaient à des sabliers. Si le mouvement de la pagaie était encore plus raccourci, en créant plus rapidement, vagues plus courtes - un modèle de "crêtes secondaires, " dans lequel les ondulations existantes semblaient former des ondulations "d'ombre" temporaires de chaque côté, a pris le relais. Lorsque les chercheurs ont élargi le mouvement de la pagaie, générer des vagues plus longues, les ondulations formaient des motifs en zigzag lorsqu'elles se déplaçaient vers un espacement plus large.

"Si vous voyez ces types de défauts dans la nature, nous soutenons que les fonds marins subissaient une sorte de changement des conditions météorologiques, les marées, ou quelque chose d'autre qui a affecté la profondeur de l'eau ou les vagues, probablement au cours des heures ou des jours, " dit Perron. " Par exemple, si vous voyez beaucoup de crêtes secondaires, vous pouvez dire qu'il y a eu un assez grand changement dans les vagues par opposition à un plus petit changement, ce qui pourrait vous donner des sabliers à la place."

Les chercheurs ont observé que dans tous les scénarios, des motifs ressemblant à des diapasons recadrés, même après que les ondulations aient atteint un nouveau, espacement stable.

"Ces diapasons ont tendance à rester longtemps, " dit Perron. " Si vous les voyez dans la roche moderne ou ancienne, ils suggèrent qu'un fond marin a connu un changement, mais ensuite les conditions sont restées stables, et le lit a mis du temps à s'adapter."

Aller de l'avant, Perron dit que les géologues peuvent utiliser les résultats de l'équipe comme plan pour relier certains défauts d'ondulation aux conditions de l'eau qui peuvent les avoir créés, à la fois dans l'environnement moderne et dans le passé antique.

"Nous pensons que ces petits défauts peuvent vous en dire beaucoup plus sur un environnement ancien que la taille moyenne des vagues et la profondeur de l'eau, " dit Perron. " Ils pourraient vous dire s'il s'agissait d'un environnement où les marées étaient suffisamment importantes pour modifier les ondulations d'autant, ou si un endroit subissait des tempêtes périodiques, il y a même des milliards d'années. Et si nous trouvons d'anciennes ondulations d'ondes sur Mars, nous saurons les lire.