La plupart des écoliers apprennent que la Terre a trois (ou quatre) couches :une croûte, manteau et noyau, qui est parfois subdivisé en un noyau interne et externe. Ce n'est pas faux, mais il laisse de côté plusieurs autres couches que les scientifiques ont identifiées au sein de la Terre.

Dans une étude publiée cette semaine dans Science , Les géophysiciens de Princeton Jessica Irving et Wenbo Wu, en collaboration avec Sidao Ni de l'Institut de géodésie et de géophysique de Chine, utilisé les données d'un énorme tremblement de terre en Bolivie pour trouver des montagnes et d'autres topographies sur une couche située à 660 kilomètres (410 miles) vers le bas, qui sépare le manteau supérieur et inférieur. (Aucun nom formel pour cette couche, les chercheurs l'appellent simplement "la limite des 660 km".)

Pour scruter profondément la Terre, les scientifiques utilisent les ondes les plus puissantes de la planète, qui sont générés par des tremblements de terre massifs. "Tu veux un gros, tremblement de terre profond pour faire trembler la planète entière, " dit Irving, professeur adjoint de géosciences.

Les grands tremblements de terre sont beaucoup plus puissants que les petits - l'énergie est multipliée par 30 à chaque étape de l'échelle de Richter - et les tremblements de terre profonds, "au lieu de gaspiller leur énergie dans la croûte, peut faire fonctionner tout le manteau, " a déclaré Irving. Elle obtient ses meilleures données à partir de tremblements de terre de magnitude 7,0 ou plus, elle a dit, car les ondes de choc qu'ils envoient dans toutes les directions peuvent traverser le noyau jusqu'à l'autre côté de la planète, et vice-versa. Pour cette étude, les données clés provenaient des vagues captées après un séisme de magnitude 8,2 - le deuxième plus grand séisme en profondeur jamais enregistré - qui a secoué la Bolivie en 1994.

"Des tremblements de terre aussi importants ne surviennent pas très souvent, " a-t-elle dit. " Nous avons de la chance maintenant que nous avons tellement plus de sismomètres qu'il y a 20 ans. La sismologie est un domaine différent de ce qu'elle était il y a 20 ans, entre les instruments et les ressources de calcul."

Les sismologues et les data scientists utilisent des ordinateurs puissants, y compris le cluster de supercalculateurs Tiger de Princeton, pour simuler le comportement compliqué des ondes de diffusion dans les profondeurs de la Terre.

La technologie dépend d'une propriété fondamentale des vagues :leur capacité à se plier et à rebondir. Tout comme les ondes lumineuses peuvent rebondir (réfléchir) sur un miroir ou se courber (réfracter) lors du passage à travers un prisme, les ondes sismiques traversent directement les roches homogènes mais se réfléchissent ou se réfractent lorsqu'elles rencontrent une limite ou une rugosité.

"Nous savons que presque tous les objets ont une rugosité de surface et diffusent donc la lumière, " dit Wu, l'auteur principal du nouveau document, qui vient de terminer son doctorat en géosciences. et est maintenant chercheur postdoctoral au California Institute of Technology. "C'est pourquoi nous pouvons voir ces objets - les ondes de diffusion transportent des informations sur la rugosité de la surface. Dans cette étude, nous avons étudié les ondes sismiques dispersées voyageant à l'intérieur de la Terre pour contraindre la rugosité de la limite de 660 km de la Terre."

Les chercheurs ont été surpris de voir à quel point cette frontière est rude, plus rugueuse que la couche de surface sur laquelle nous vivons tous. "En d'autres termes, une topographie plus forte que les Rocheuses ou les Appalaches est présente à la limite des 660 km, " a déclaré Wu. Leur modèle statistique ne permettait pas des déterminations précises de la hauteur, mais il y a une chance que ces montagnes soient plus grandes que tout ce qui se trouve à la surface de la Terre. La rugosité n'était pas également répartie, Soit; tout comme la surface de la croûte a des fonds océaniques lisses et des montagnes massives, la limite de 660 km présente des zones rugueuses et des zones lisses. Les chercheurs ont également examiné une couche à 410 kilomètres (255 miles) de profondeur, au sommet de la "zone de transition du manteau moyen, " et ils n'ont pas trouvé de rugosité similaire.

"Ils trouvent que les couches profondes de la Terre sont tout aussi compliquées que ce que nous observons à la surface, " a déclaré la sismologue Christine Houser, un professeur assistant à l'Institut de technologie de Tokyo qui n'était pas impliqué dans cette recherche. « Trouver des changements d'altitude de 2 miles (1 à 3 km) sur une frontière de plus de 400 miles (660 km) de profondeur en utilisant des vagues qui parcourent la Terre entière et inversement est un exploit inspirant. . . Leurs résultats suggèrent que, comme les tremblements de terre se produisent et les instruments sismiques deviennent plus sophistiqués et s'étendent à de nouvelles zones, nous continuerons à détecter de nouveaux signaux à petite échelle qui révèlent de nouvelles propriétés des couches de la Terre."

Ce que cela veut dire

La présence de rugosité sur la limite des 660 km a des implications importantes pour comprendre comment notre planète s'est formée et continue de fonctionner. Cette couche divise le manteau, qui représente environ 84 pour cent du volume de la Terre, dans ses parties supérieure et inférieure. Pendant des années, les géoscientifiques ont débattu de l'importance de cette frontière. En particulier, ils ont étudié comment la chaleur se propage à travers le manteau - si les roches chaudes sont transportées en douceur à partir de la limite noyau-manteau (presque 2, 000 miles vers le bas) jusqu'au sommet du manteau, ou si ce transfert est interrompu au niveau de cette couche. Certaines preuves géochimiques et minéralogiques suggèrent que le manteau supérieur et inférieur sont chimiquement différents, ce qui soutient l'idée que les deux sections ne se mélangent pas thermiquement ou physiquement. D'autres observations suggèrent qu'il n'y a pas de différence chimique entre le manteau supérieur et inférieur, amenant certains à plaider en faveur de ce qu'on appelle un "manteau bien mélangé, " avec le manteau supérieur et inférieur participant au même cycle de transfert de chaleur.

"Nos résultats donnent un aperçu de cette question, " a déclaré Wu. Leurs données suggèrent que les deux groupes pourraient avoir partiellement raison. Les zones plus lisses de la limite de 660 km pourraient résulter d'un mélange vertical plus approfondi, tandis que le plus rugueux, des zones montagneuses peuvent s'être formées là où les manteaux supérieur et inférieur ne se mélangent pas aussi bien.

En outre, la rugosité trouvée par les chercheurs, qui existait en général, échelles moyennes et petites, pourrait théoriquement être causée par des anomalies thermiques ou des hétérogénéités chimiques. Mais à cause de la façon dont la chaleur est transportée dans le manteau, Wu a expliqué, toute anomalie thermique à petite échelle serait aplanie en un million d'années. Cela ne laisse que des différences chimiques pour expliquer la rugosité à petite échelle qu'ils ont trouvée.

Qu'est-ce qui pourrait causer des différences chimiques importantes? L'introduction de roches qui appartenaient à la croûte, maintenant se reposer tranquillement dans le manteau. Les scientifiques ont longtemps débattu du sort des plaques de fond marin qui sont poussées dans le manteau dans les zones de subduction, les collisions se produisent tout autour de l'océan Pacifique et ailleurs dans le monde. Wu et Irving suggèrent que les restes de ces dalles peuvent maintenant être juste au-dessus ou juste en dessous de la limite de 660 km.

"C'est facile à supposer, étant donné que nous ne pouvons détecter que les ondes sismiques qui traversent la Terre dans son état actuel, que les sismologues ne peuvent s'empêcher de comprendre comment l'intérieur de la Terre a changé au cours des 4,5 milliards d'années, " a déclaré Irving. " Ce qui est passionnant dans ces résultats, c'est qu'ils nous donnent de nouvelles informations pour comprendre le sort des anciennes plaques tectoniques qui sont descendues dans le manteau, et où l'ancien matériau du manteau pourrait encore résider."

Elle a ajouté:"La sismologie est plus excitante lorsqu'elle nous permet de mieux comprendre l'intérieur de notre planète à la fois dans l'espace et dans le temps."