Dans une étude qui donne un nouveau sens au terme "fond rocheux, " des chercheurs en sismologie ont découvert le dessous d'une plaque rocheuse de la couche superficielle de la Terre, ou lithosphère, qui a été entraîné à plus de 400 milles sous le nord-est de la Chine par le processus de subduction tectonique.

L'étude, publié par une équipe de chercheurs chinois et américains en Géosciences de la nature , offre de nouvelles preuves sur ce qui arrive aux plaques tectoniques océaniques riches en eau lorsqu'elles sont attirées à travers le manteau terrestre sous les continents.

Le sismologue de l'Université Rice Fenglin Niu, un auteur co-correspondant, a déclaré que l'étude fournit les premières images sismiques à haute résolution des limites supérieure et inférieure d'un rocher, ou lithosphérique, plaque tectonique dans une région clé connue sous le nom de zone de transition du manteau, qui commence à environ 254 milles (410 kilomètres) sous la surface de la Terre et s'étend jusqu'à environ 410 milles (660 kilomètres).

"De nombreuses études suggèrent que la dalle se déforme en fait beaucoup dans la zone de transition du manteau, qu'il devienne mou, donc il se déforme facilement, " A déclaré Niu. Dans quelle mesure la dalle se déforme ou conserve sa forme est importante pour expliquer si et comment elle se mélange avec le manteau et quel type d'effet de refroidissement elle a.

Le manteau terrestre convecte comme la chaleur d'un four. La chaleur du noyau terrestre monte à travers le manteau au centre des océans, où se forment les plaques tectoniques. De là, la chaleur traverse le manteau, se refroidissant en se déplaçant vers les continents, où il retombe vers le cœur pour collecter plus de chaleur, monter et compléter le cercle convectif.

Des études antérieures ont sondé les limites des dalles de subduction dans le manteau, mais peu ont regardé plus profondément que 125 miles (200 kilomètres) et aucun avec la résolution de l'étude actuelle, qui en a utilisé plus de 67, 000 mesures recueillies à partir de 313 stations sismiques régionales du nord-est de la Chine. Ce travail, qui a été fait en collaboration avec l'Administration sismique de Chine, a été dirigé par l'auteur co-correspondant Qi-Fu Chen de l'Académie chinoise des sciences.

La recherche explore des questions fondamentales sur les processus qui ont façonné la surface de la Terre pendant des milliards d'années. La convection du manteau entraîne les mouvements des plaques tectoniques de la Terre, des morceaux rigides imbriqués de la surface de la Terre qui sont en mouvement constant alors qu'ils flottent au sommet de l'asthénosphère, la couche la plus élevée du manteau et la partie la plus fluide de la planète intérieure.

Là où les plaques tectoniques se rencontrent, ils se bousculent et broient ensemble, libérant de l'énergie sismique. Dans des cas extrêmes, cela peut provoquer des tremblements de terre et des tsunamis destructeurs, mais la plupart des mouvements sismiques sont trop faibles pour être ressentis par les humains sans instruments. A l'aide de sismomètres, les scientifiques peuvent mesurer l'ampleur et l'emplacement des perturbations sismiques. Et parce que les ondes sismiques s'accélèrent dans certains types de roches et ralentissent dans d'autres, les scientifiques peuvent les utiliser pour créer des images de l'intérieur de la Terre, de la même manière qu'un médecin peut utiliser des ultrasons pour visualiser ce qu'il y a à l'intérieur d'un patient.

Niu, un professeur de Terre, sciences de l'environnement et de la planète à Rice, est à la pointe de l'imagerie sismique depuis plus de deux décennies. Quand il a fait son doctorat. formation au Japon il y a plus de 20 ans, les chercheurs utilisaient des réseaux denses de stations sismiques pour recueillir certaines des premières images détaillées des limites de la dalle immergée de la plaque Pacifique, la même plaque qui a été imagée dans l'étude publiée cette semaine.

"Le Japon est situé à peu près là où la plaque Pacifique atteint une profondeur d'environ 100 kilomètres, " dit Niu. " Il y a beaucoup d'eau dans cette dalle, et il produit beaucoup de fonte partielle. Cela produit des volcans en arc qui ont contribué à créer le Japon. Mais, nous débattons encore pour savoir si cette eau est totalement libérée à cette profondeur. Il est de plus en plus évident qu'une partie de l'eau reste à l'intérieur de l'assiette pour aller beaucoup, beaucoup plus profond."

Le nord-est de la Chine offre l'un des meilleurs points de vue pour déterminer si cela est vrai. La région est d'environ 1, A 000 kilomètres de la fosse japonaise où la plaque Pacifique entame sa plongée à l'intérieur de la planète. En 2009, avec le financement de la National Science Foundation et d'autres, Niu et des scientifiques de l'Université du Texas à Austin, l'Administration sismique de Chine, l'Institut de recherche sur les tremblements de terre de l'Université de Tokyo et le Centre de recherche pour la prévision des tremblements de terre et des éruptions volcaniques de l'Université japonaise de Tohoku ont commencé à installer des sismomètres à large bande dans la région.

"Nous y avons mis 140 stations, et bien sûr, plus il y a de stations, mieux c'est pour la résolution, " Niu a dit. " L'Académie chinoise des sciences a mis des stations supplémentaires afin qu'ils puissent obtenir un meilleur, image plus détaillée."

Dans la nouvelle étude, les données des stations ont révélé à la fois les limites supérieure et inférieure de la plaque Pacifique, plongeant à un angle de 25 degrés dans la zone de transition du manteau. Le placement dans cette zone est important pour l'étude de la convection du manteau car la zone de transition se situe en dessous de l'asthénosphère, à des profondeurs où l'augmentation de la pression provoque des changements de phase spectaculaires pour des minéraux spécifiques du manteau. Ces phases des minéraux se comportent très différemment dans les profils sismiques, tout comme l'eau liquide et la glace solide se comportent de manière très différente même si elles sont constituées de molécules identiques. Parce que les changements de phase dans la zone de transition du manteau se produisent à des pressions et des températures spécifiques, les géoscientifiques peuvent les utiliser comme un thermomètre pour mesurer la température dans le manteau.

Niu a déclaré que le fait que le haut et le bas de la dalle soient visibles est la preuve que la dalle ne s'est pas complètement mélangée au manteau environnant. Il a déclaré que les signatures thermiques des parties partiellement fondues du manteau sous la dalle fournissent également une preuve indirecte que la dalle a transporté une partie de son eau dans la zone de transition.

"Le problème est d'expliquer comment ces matériaux chauds peuvent être déposés dans la partie la plus profonde du manteau, " dit Niu. " C'est toujours une question. Parce qu'ils sont chauds, ils sont porteurs."

Cette flottabilité devrait agir comme un gilet de sauvetage, en poussant vers le haut sur la face inférieure de la dalle qui coule. Niu a dit que la réponse à cette question pourrait être que des trous sont apparus dans la dalle déformante, permettant à la fonte chaude de monter tandis que la dalle coule.

« Si vous avez un trou, la fonte va sortir, " dit-il. " C'est pourquoi nous pensons que la dalle peut aller plus loin. "

Des trous pourraient aussi expliquer l'apparition de volcans comme le Changbaishan à la frontière entre la Chine et la Corée du Nord.

"Il est 1, 000 kilomètres de la limite de la plaque, " Niu a déclaré. "Nous ne comprenons pas vraiment le mécanisme de ce genre de volcan. Mais la fonte s'élevant des trous dans la dalle pourrait être une explication possible."