Des géoscientifiques de l'Université du Texas à Dallas ont récemment utilisé des quantités massives de données sismiques et de superordinateurs pour générer des données haute résolution, Images 3D des processus géologiques dynamiques qui se déroulent loin sous la surface de la Terre.

Dans une étude publiée le 29 avril dans Communication Nature , l'équipe de recherche de l'UT Dallas a décrit comment elle a créé des images de flux du manteau dans une région de subduction sous l'Amérique centrale et la mer des Caraïbes à l'aide d'une technique de calcul intensive appelée inversion de forme d'onde complète (FWI).

« Il s'agit de la première étude sismique complète à imager directement les champs d'écoulement du manteau en 3D dans des environnements de subduction réels à l'aide de la technologie FWI avancée, " a déclaré le Dr Hejun Zhu, auteur correspondant de l'étude et professeur adjoint de géosciences à la Faculté des sciences naturelles et mathématiques. Dr Jidong Yang, qui a obtenu son doctorat. en géosciences de l'UT Dallas en mai, et le Dr Robert Stern, professeur de géosciences, sont les co-auteurs de l'étude.

Une Terre dynamique

Entre la couche relativement mince de la croûte terrestre et son noyau interne se trouve la partie la plus épaisse de la planète, le manteau. Sur de courtes périodes, le manteau peut être considéré comme une roche solide, mais à l'échelle des temps géologiques de millions d'années, le manteau coule comme un fluide visqueux.

La croûte terrestre est brisée en morceaux appelés plaques tectoniques. Ces plaques se déplacent très lentement dans le manteau, à peu près aussi vite que les ongles poussent. Dans les régions appelées zones de subduction, une plaque descend sous une autre dans le manteau.

"L'enfoncement des plaques océaniques dans le manteau terrestre au niveau des zones de subduction est ce qui provoque le déplacement des plaques tectoniques de la Terre et est l'un des processus les plus importants qui se déroulent sur notre planète, " a déclaré Zhu. " Les zones de subduction sont également la source de nombreux risques naturels, comme les tremblements de terre, volcans et tsunamis. Mais le modèle d'écoulement et de déformation du manteau autour des plaques descendantes est encore mal compris. Les informations fournies par nos techniques sont cruciales pour comprendre notre planète dynamique."

Recherche intensive en données

Zhu et ses collègues ont abordé le problème en utilisant une mesure géophysique appelée anisotropie sismique, qui mesure la différence de vitesse à laquelle les ondes mécaniques générées par les tremblements de terre se déplacent dans différentes directions à l'intérieur de la Terre. L'anisotropie sismique peut révéler comment le manteau se déplace autour de la plaque de subduction. Une technologie similaire est également utilisée par l'industrie de l'énergie pour localiser les ressources pétrolières et gazières.

"Quand un plongeur plonge dans l'eau, l'eau se sépare, et cette séparation affecte à son tour la façon dont l'eau se déplace autour du nageur, " dit Zhu. " C'est similaire avec les plaques océaniques :quand elles plongent dans le manteau chaud, cette action induit une séparation du manteau et un écoulement autour des plaques."

L'équipe de recherche a créé les images à l'aide de données haute fidélité enregistrées sur une période de 10 ans à partir de 180 tremblements de terre par environ 4, 500 stations sismiques situées dans une grille à travers les États-Unis. Les calculs numériques pour l'algorithme FWI ont été effectués sur les clusters de calcul haute performance du Texas Advanced Computing Center soutenu par la National Science Foundation (NSF) à UT Austin, ainsi que sur les supercalculateurs de l'UT Dallas.

"Auparavant, nous ne pouvions pas "voir" sous la surface de la Terre, mais en utilisant cette technologie et ce très beau jeu de données, nous sommes en mesure de délimiter la distribution en 3D de divers phénomènes sismiques et de dire à quelles profondeurs ils se produisent, " dit Zhu.

Parti en morceaux

Les images ont confirmé que les plaques dans la région d'étude ne sont pas grandes, morceaux solides mais sont plutôt fragmentés en dalles plus petites.

"Cela semble différent des descriptions de manuels de plaques tectoniques se réunissant, avec un morceau solide de plaque océanique descendant sous un autre morceau solide, " a déclaré Zhu. " Certains chercheurs ont émis l'hypothèse que cette fragmentation se produit, et notre imagerie et notre modélisation fournissent des preuves qui soutiennent ce point de vue."

Le modèle 3-D de Zhu montre des schémas d'écoulement du manteau complexes autour d'un certain nombre de fragments descendants et dans les espaces entre les dalles. Tellement gros, des pièces fragmentées sont vues dans des régions du monde entier, dit Zhu.

Dans le nord-ouest des États-Unis, par exemple, la plaque Juan de Fuca est également fragmentée en deux morceaux où elle descend sous la plaque nord-américaine dans la zone de subduction de Cascadia, une région où de forts tremblements de terre se sont produits au cours des siècles.

"Nous savons que la plupart des tremblements de terre se produisent à l'interface entre une dalle et le manteau. S'il y a un écart entre ces fragments, ce qu'on appelle une région de fenêtre, vous ne vous attendriez pas à des tremblements de terre là-bas, " dit Zhu. " Si vous regardez la distribution des tremblements de terre le long de la zone de subduction de Cascadia, il y a une travée où il n'y a pas de tremblements de terre. C'est probablement une région où il y a une lacune dans la plaque océanique subductrice.

"La tranchée de l'Amérique centrale que nous avons étudiée a sa propre particularité, propriétés dynamiques. À l'avenir, nous prévoyons de porter notre attention sur d'autres zones de subduction, y compris la zone de subduction Kermadec-Tonga dans la région des plaques Australienne et Pacifique."