Ces mystérieux tremblements de terre ont leur origine entre 400 et 700 kilomètres sous la surface de la Terre et ont été enregistrés avec des magnitudes allant jusqu'à 8,3 sur l'échelle de Richter.

Xanthippi Markenscoff, professeur distingué au Département de génie mécanique et aérospatial de la UC San Diego Jacobs School of Engineering, est la personne qui a résolu ce mystère. Son article « Instabilités d'effondrement de volume dans les tremblements de terre profonds :une source de cisaillement nucléée et entraînée par la pression » apparaît dans le Journal de la mécanique et de la physique des solides .

Le terme tremblement de terre à foyer profond fait référence au fait que ce type de tremblement de terre a son origine dans les profondeurs du manteau terrestre où les forces de pression sont très élevées. Depuis que les tremblements de terre à foyer profond ont été identifiés pour la première fois en 1929, les chercheurs avaient essayé de comprendre quels processus les provoquent. Les chercheurs pensaient que les hautes pressions produiraient une implosion qui produirait intuitivement des ondes de pression. Cependant, ils n'avaient pas été en mesure de relier les points entre la haute pression et le type spécifique d'ondes sismiques - appelées ondes sismiques de cisaillement (ou de distorsion) - produites par les tremblements de terre à foyer profond. (Vous pouvez ressentir une énergie de distorsion si vous tenez votre avant-bras puis le tournez.)

Dans son nouveau journal, Markenscoff complète son explication de ce mystère qui se produit sous des pressions ultra-élevées. Elle a percé le mystère dans une série de papiers à partir de 2019. De plus, sa solution donne un aperçu de nombreux autres phénomènes tels que les impacts planétaires et la formation planétaire qui partagent des processus géophysiques similaires.

« C'est un exemple parfait de la façon dont une modélisation mathématique profonde rigoureusement ancrée dans la mécanique et la physique peut nous aider à résoudre les mystères de la nature. Les travaux du professeur Markenscoff peuvent avoir un impact profond non seulement sur la façon dont nous comprenons les tremblements de terre à focalisation profonde, mais aussi sur la façon dont nous pourrions utiliser de manière contrôlée les transformations de phase dynamiques dans les matériaux d'ingénierie à notre avantage, " a déclaré Huajian Gao, professeur émérite à l'Université technologique de Nanyang à Singapour et rédacteur en chef du Journal de la mécanique et de la physique des solides où apparaît l'article de Markenscoff.

De la transformation de la roche au tremblement de terre

Il est bien connu que les hautes pressions qui existent entre 400 et 700 kilomètres sous la surface de la terre peuvent provoquer une transformation de phase de la roche à olivine en un type de roche plus dense appelé spinelle. C'est analogue à la façon dont le charbon peut se transformer en diamant, ce qui se passe aussi profondément dans le manteau terrestre.

Le passage de l'olivine au spinelle plus dense entraîne des réductions de volume de roche à mesure que les atomes se rapprochent les uns des autres sous une forte pression. Cela peut être appelé « effondrement du volume ». Cet effondrement de volume et les « failles transformationnelles » associées ont été considérés comme la cause prédominante des séismes à foyer profond. Cependant, jusqu'à maintenant, il n'y avait pas de modèle basé sur l'effondrement de volume qui prédisait les ondes sismiques de cisaillement (distorsion) qui arrivent réellement à la surface de la terre lors de tremblements de terre à focalisation profonde. Pour cette raison, d'autres modèles ont également été envisagés, et l'état des choses est resté stagnant.

Markenscoff a maintenant résolu ce mystère en utilisant la physique et la mécanique mathématiques fondamentales en découvrant des instabilités qui se produisent à des pressions très élevées. Une instabilité concerne la forme de la région en expansion de la roche en transformation et l'autre instabilité concerne sa croissance.

Pour que les régions en expansion de cette phase de transformation de l'olivine en spinelle grandissent, ces régions de transformation avec une grande densification prendront une forme aplatie "en forme de crêpe" qui minimise l'énergie requise pour que la région densifiée se propage dans le milieu non transformé à mesure qu'elle grandit. Il s'agit d'un mode de brisure de symétrie qui peut se produire sous les très hautes pressions qui existent à l'origine des séismes à foyer profond, et c'est cette rupture de symétrie qui crée la déformation de cisaillement responsable des ondes de cisaillement qui atteignent la surface de la Terre. Précédemment, les chercheurs ont supposé une expansion sphérique préservant la symétrie, qui n'entraînerait pas les ondes sismiques de cisaillement. Ils ne savaient pas que la symétrie serait autorisée à être brisée.

« Briser la symétrie sphérique de la forme de la roche en transformation minimise l'énergie requise pour que la région de propagation de la transformation de phase s'agrandisse, " dit Markenscoff. " Vous ne dépensez pas d'énergie pour déplacer la surface d'une grande sphère, mais seulement le périmètre."

En outre, Markenscoff a expliqué qu'à l'intérieur de la région en expansion de transformation de phase de la roche, il n'y a pas de mouvement de particules et pas d'énergie cinétique (c'est une "lacune"), et, Donc, l'énergie qui rayonne est maximisée. Cela explique pourquoi les ondes sismiques peuvent remonter à la surface, plutôt qu'une grande partie de l'énergie qui se dissipe à l'intérieur de la Terre.

Le modèle analytique de Markenscoff pour les champs de déformation de la source sismique en expansion est basé sur la généralisation dynamique de l'inclusion séminale d'Eshelby (1957) qui satisfait le théorème de la lacune (Atiya et al, 1970). L'énergétique de la région en expansion de la transformation de phase est régie par le théorème de physique théorique de Noether (1918) grâce auquel elle a obtenu les instabilités qui créent une avalanche croissante et rapide de volume qui s'effondre sous pression. C'est la deuxième instabilité découverte (en ce qui concerne la croissance) :une fois qu'une région aplatie densifiée arbitrairement petite a été déclenchée, sous une pression critique, il continuera à croître sans avoir besoin de plus d'énergie. (Il ne cesse de s'effondrer "comme un château de cartes".) Ainsi, le mystère est résolu :bien qu'il s'agisse d'une source de cisaillement, ce qui entraîne la propagation des tremblements de terre à foyer profond est la pression agissant sur le changement de volume.

Lorsqu'on lui a demandé de réfléchir à sa découverte selon laquelle les tremblements de terre à foyer profond pourraient être décrits avec les théorèmes qui sont le fondement de la physique mathématique, elle a dit, "J'ai l'impression de m'être lié à la nature. J'ai découvert la beauté de la façon dont la nature fonctionne. C'est la première fois de ma vie. Avant, c'était de mettre un petit pas sur les pas de quelqu'un d'autre. J'ai ressenti cette immense joie."

Découverte pertinente

Les séismes profonds ne sont qu'un des phénomènes dans lesquels ces instabilités se manifestent. Ils se produisent également dans d'autres phénomènes de transformations de phase dynamiques sous hautes pressions, tels que les impacts planétaires et l'amorphisation. Aujourd'hui, il existe de nouvelles installations expérimentales telles que le National Ignition Facility (NIF) géré par Lawrence Liver National Laboratory dans lequel les chercheurs peuvent étudier des matériaux sous des pressions extrêmement élevées qui étaient impossibles à tester auparavant.

Le nouveau travail de Markenscoff fournit une démonstration importante et un rappel que l'acquisition d'une compréhension plus profonde des mystères de la nature nécessite souvent les connaissances qui peuvent être acquises en exploitant les principes fondamentaux de la physique mathématique avec la recherche expérimentale effectuée dans des conditions extrêmes.

En réalité, Markenscoff a co-organisé deux ateliers financés par la National Science Foundation (NSF) à l'UC San Diego en 2016 et 2019 qui ont réuni des géophysiciens et des sismologues avec des mécaniciens pour s'assurer que ces communautés de recherche restent au courant des méthodologies et des techniques développées en mécanique.

"Nos systèmes éducatifs doivent continuer à investir dans l'enseignement des fondamentaux de la science comme piliers de l'avancement des connaissances, qui peut être atteint par la convergence interdisciplinaire de la théorie, expérimentations et data science, " dit Markenscoff.

Elle a également souligné l'importance du soutien à la recherche qu'elle a reçu au fil des ans de la National Science Foundation (NSF) des États-Unis.

"Sachant que mon responsable de programme NSF croyait qu'il était possible de résoudre ce 'mystère' et m'a financé, renforcé à la fois ma confiance et ma détermination à persévérer", dit Markenscoff. "Je signale cela comme un rappel pour nous tous. Il est également essentiel que nous donnions des encouragements réfléchis et réfléchis à nos étudiants et collègues. Savoir que les personnes que vous respectez croient en vous et en votre travail peut être très puissant."