Imaginez que vous placez une pierre sur un morceau de carton suspendu. Si le carton est solide et copieux, comme la couverture d'un livre cartonné, le rocher peut rester là pendant longtemps et la planche fléchira à peine en raison du poids du rocher. Mais si le carton est fragile, plus comme un panneau d'affichage, il commencera à céder sous le poids du rocher, déformation dans la forme et la structure.

La géoscientifique Donna Shillington étudie un concept similaire lorsqu'elle étudie le poids de la lave durcissante, ou magma, à la surface de la terre. Quand les volcans éclatent, jaillir du feu, la lave se refroidit avec le temps et les composés, ajouter du poids et des contraintes qui peuvent faire plier et fissurer les plaques tectoniques plus fragiles de la Terre, qui peut créer des tremblements de terre, et dans certains cas, tsunamis.

Shillington veut savoir exactement combien de magma est durci sous une chaîne de volcans sur la plaque Pacifique, qui se trouve sous l'océan Pacifique. Elle étudie également la solidité de l'assiette, et s'il se comportera plutôt comme du carton ou du panneau d'affichage sous le poids de la roche - ou dans ce cas, magma.

S'étendant sur 40 millions de miles carrés à la surface de la Terre, la plaque du Pacifique plane au-dessus d'un point chaud, où des matériaux très chauds provenant des profondeurs de la Terre s'élèvent vers le haut. Alors que la plaque s'est glissée à travers ce point chaud au cours des dernières dizaines de millions d'années, la chaleur échappée interagissant avec la plaque a provoqué des éruptions volcaniques et a créé la chaîne de monts sous-marins Hawaiian-Emperor, une chaîne de montagnes qui s'étend sur 3, 900 miles de la tranchée des Aléoutiennes dans le nord-ouest du Pacifique au mont sous-marin Lo'ihi à seulement 22 miles au sud-est de l'île d'Hawaï. La majeure partie de la chaîne est sous-marine - au moins 80 volcans sous-marins ont été identifiés - et les îles Hawaï sont les seuls sommets exposés du système.

Comme pour tout système de montagne, les scientifiques veulent savoir de quoi il est composé, comment il s'est formé, et comment il a changé au fil du temps. Mais, parce que les volcans les plus jeunes de cette chaîne sont capables d'entrer en éruption et de produire des tremblements de terre ou des tsunamis, les scientifiques veulent également savoir comment la charge que la chaîne a ajoutée à la plaque du Pacifique peut influencer les catastrophes naturelles. Plus important, ils veulent connaître la résistance de la plaque en étudiant comment elle réagit à la charge des gigantesques volcans.

Malheureusement, les îles hawaïennes au-dessus du niveau de la mer, faciles à échantillonner, ne sont qu'une petite partie de la chaîne expansive et qu'une partie de l'histoire. Pour obtenir les réponses dont ils ont besoin, Shillington et ses collègues doivent aller beaucoup, beaucoup plus profond, sous le fond de l'océan.

Au cours de l'année académique 2018-19, lorsque Shillington était professeur de recherche Lamont à l'observatoire terrestre de Lamont-Doherty de l'Université Columbia, elle a dirigé deux croisières de recherche sur la chaîne des monts sous-marins Hawaï-Empereur :une vers la jeune partie hawaïenne de la chaîne, et l'autre à la moitié nord plus ancienne, où les volcans ont jusqu'à 80 millions d'années. Elle voulait en apprendre le plus possible sur les volcans sous-marins - et la terre sous eux - pour comprendre comment la plaque du Pacifique résiste au poids du magma, et aussi, où se trouve exactement ce magma.

"Connaître les propriétés de cette plaque est important pour comprendre comment elle réagira, " dit Shillington, qui est maintenant professeur agrégé à la Northern Arizona University. "La force d'une plaque est la chose fondamentale qui contrôlera son comportement. Par exemple, la force de la plaque océanique dictera la façon dont elle se plie et est poussée sous les continents dans les zones de subduction, un endroit qui crée des tremblements de terre. »

Voyageant avec Shillington lors de l'expédition se trouvaient deux autres scientifiques de Lamont-Doherty :Brian Boston, un chercheur postdoctoral et Will Fortin, un chercheur associé. L'équipe de chercheurs principaux comprenait également un scientifique de l'Université d'Oxford, Tony Watts; trois scientifiques de l'Université d'Hawaï—Robert Dunn, Garret Ito, Paul Wessel; deux scientifiques du US Geological Survey—Uri ten Brink et Nathan Miller; et un scientifique de GEOMAR—Ingo Grevemeyer. Grâce à un processus de candidature compétitif, l'équipe a également invité des étudiants diplômés de tout le pays à se joindre aux croisières, et les étudiants ont blogué sur l'expérience.

À deux reprises, en octobre 2018 et à nouveau en avril 2019, l'équipe a embarqué sur le R/V Marcus G. Langseth, un navire qui appartient à la National Science Foundation et exploité par Lamont-Doherty Earth Observatory. Le navire est spécial car il possède une technologie à bord qui permet aux scientifiques de créer des cartes en deux et trois dimensions de la structure de la terre à des kilomètres sous le fond marin.

Il a fallu neuf jours de navigation depuis les îles hawaïennes pour atteindre leur lieu d'échantillonnage sur la chaîne du mont sous-marin Empereur dans l'océan Pacifique, dit Fortin. C'était, en termes simples, au milieu de nulle part. La vue typique de tribord était simplement du brouillard.

Cependant, l'équipe n'était pas là pour regarder ou toucher, mais à écouter. Grâce à la technologie de cartographie sismique embarquée du navire, ils cartographieraient la topographie sous-marine en envoyant des ondes sonores dans l'eau et en mesurant leur écho, une technique appelée imagerie sismique.

"La sismologie consiste essentiellement à se tenir dans un canyon et à crier" écho ", puis à entendre "écho" vous revenir, mais beaucoup plus compliqué et beaucoup plus silencieux, " dit Fortin. " Quand tu entends 'écho' te revenir, si vous enregistrez la forme d'onde et faites très attention, vous pouvez dire sur quel type de roche il rebondit parce que l'écho qui revient change en fonction de ce qu'il frappe. Que vous soyez dans un endroit avec un canyon de grès ou un rocher de granit, vous pouvez obtenir cette information à partir de la façon dont l'écho sonne - à quel point il est fort, et comment il est déformé."

Pour mesurer l'écho, l'équipe a largué des sismomètres de la taille d'un baril par-dessus bord, où ils ont coulé sur plus de trois milles pour se reposer au fond de l'océan et prendre des mesures de pression et de mouvement du sol. Ils ont également remorqué un câble de neuf milles de long équipé de capteurs de pression derrière le navire.

Puis, crièrent-ils dans le canyon. En utilisant un arsenal de pistolets à compresseur d'air embarqués, ils ont tiré des bulles d'air dans l'eau. Ils ont écouté en temps réel et enregistré.

En plus des échos captés dans la colonne d'eau par les streamers des bateaux, "comme nous produisions les ondes sismiques, les sismomètres au fond de l'océan ont enregistré comment les vagues se propagent à travers la croûte terrestre, ", a déclaré Boston.

Fortin étudie également le rôle que joue la chaîne de montagnes dans la circulation et le mélange de l'eau de mer. Comprendre la topographie de la chaîne et sa composition matérielle l'aidera à découvrir, tout comme l'examen attentif de la façon dont les échos se déplacent dans la colonne d'eau.

L'enregistrement et l'analyse des échos dans l'eau - et en particulier l'eau froide - peuvent être assez fastidieux, dit Fortin. Alors que le schiste et le grès reflètent environ 20 pour cent du son d'origine, seulement environ 0,05 pour cent de l'énergie du son d'origine est réfléchie entre les différentes couches d'eau.

"Les reflets dans la colonne d'eau sont étouffés et plus silencieux, comme un écho renvoyé d'un oreiller plutôt que d'une paroi de canyon, dit Fortin. C'est-à-dire à moins que vous n'ayez un équipement spécialisé comme un navire sismique ou des oreilles de chauve-souris, vous n'entendriez pas un écho de votre oreiller. Ces échos sont si silencieux et il faut un peu de finesse. Je peaufine certaines de mes méthodes de calcul pour y arriver."

Dernièrement, l'équipe veut également savoir combien de nouveau magma se durcit sous les volcans.

"Un peu de magma remonte à la surface, où il éclate comme des coulées de lave, " dit Shillington. " Cependant, certains des magmas ne parviennent pas à la surface - au lieu de cela, ils se refroidissent et se cristallisent en roches sous la surface de la Terre."

L'équipe utilise des ondes sonores pour déterminer l'épaisseur, composition et répartition spatiale des magmas qui se sont cristallisés et se sont transformés en roches en profondeur et n'ont jamais remonté à la surface.

Un an plus tard, les données sont toujours en cours d'analyse pour créer une image complète de ce qui se trouve en dessous, et comment cela a pu changer au fil du temps.

"Nous avons eu la chance de pouvoir collecter autant de données, et ce n'est que le début de tout ce que nous espérons découvrir dans ces ensembles de données, " a déclaré Shillington. En raison de l'éloignement, « personne ne reviendra en arrière et ne collectera des données là où nous avons travaillé pendant de nombreuses années. »

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de Earth Institute, Université de Columbia http://blogs.ei.columbia.edu.