Les imperfections microscopiques des cristaux de roche profondément sous la surface de la Terre jouent un rôle décisif dans la façon dont le sol se déplace lentement et se réinitialise à la suite de tremblements de terre majeurs, dit une nouvelle recherche impliquant l'Université de Cambridge.

Les contraintes résultant de ces défauts - qui sont suffisamment petites pour perturber les éléments constitutifs atomiques d'un cristal - peuvent transformer la façon dont les roches chaudes sous la croûte terrestre se déplacent et à leur tour transférer les contraintes à la surface de la Terre, commencer le compte à rebours jusqu'au prochain tremblement de terre.

La nouvelle étude, Publié dans Communication Nature , est le premier à cartographier en détail les défauts du cristal et les champs de force environnants. "Ils sont si petits que nous n'avons pu les observer qu'avec les dernières techniques de microscopie, " a déclaré l'auteur principal, le Dr David Wallis du Département des sciences de la Terre de Cambridge, "Mais il est clair qu'ils peuvent influencer de manière significative la façon dont les roches profondes se déplacent, et même gouverner quand et où le prochain tremblement de terre se produira."

En comprenant comment ces défauts cristallins influencent les roches du manteau supérieur de la Terre, les scientifiques peuvent mieux interpréter les mesures des mouvements du sol à la suite de tremblements de terre, qui donnent des informations vitales sur l'endroit où le stress s'accumule et, à son tour, où de futurs tremblements de terre peuvent se produire.

Les tremblements de terre se produisent lorsque des morceaux de la croûte terrestre glissent soudainement les uns sur les autres le long de lignes de faille, libérant de l'énergie accumulée qui se propage à travers la Terre et la fait trembler. Ce mouvement est généralement une réponse à l'accumulation de forces tectoniques dans la croûte terrestre, provoquant la déformation de la surface et éventuellement sa rupture sous la forme d'un tremblement de terre.

Leurs travaux révèlent que la façon dont la surface de la Terre se tasse après un tremblement de terre, et stocke le stress avant un événement répété, peut finalement être attribuée à de minuscules défauts dans les cristaux de roche des profondeurs.

"Si vous pouvez comprendre à quelle vitesse ces roches profondes peuvent couler, et combien de temps il faudra pour transférer les contraintes entre différentes zones à travers une zone de faille, alors nous pourrions être en mesure d'obtenir de meilleures prévisions de quand et où le prochain tremblement de terre frappera, " dit Wallis.

L'équipe a soumis des cristaux d'olivine - le composant le plus courant du manteau supérieur - à une gamme de pressions et de températures afin de reproduire des conditions allant jusqu'à 100 km sous la surface de la Terre, là où les roches sont si chaudes (environ 1 250 °C) qu'elles bougent comme du sirop.

Wallis compare leurs expériences à un forgeron travaillant avec du métal chaud - aux températures les plus élevées, leurs échantillons étaient incandescents et souples.

Ils ont observé les structures cristallines déformées à l'aide d'une forme de microscopie électronique à haute résolution, appelée diffraction par rétrodiffusion d'électrons, dont Wallis a été le pionnier sur les matériaux géologiques.

Leurs résultats mettent en lumière la façon dont les roches chaudes du manteau supérieur peuvent mystérieusement se transformer, passant presque comme du sirop immédiatement après un tremblement de terre à devenir épaisses et lentes au fil du temps.

Ce changement d'épaisseur - ou de viscosité - transfère le stress aux roches froides et cassantes de la croûte au-dessus, où il s'accumule, jusqu'au prochain tremblement de terre.

La raison de ce changement de comportement est restée une question ouverte, « Nous savons depuis un certain temps que les processus à micro-échelle sont un facteur clé de contrôle des tremblements de terre, mais il a été difficile d'observer ces minuscules caractéristiques avec suffisamment de détails, " a déclaré Wallis. " Grâce à une technique de microscopie de pointe, nous avons pu nous pencher sur la charpente cristalline du chaud, des roches profondes et découvrez à quel point ces minuscules défauts sont vraiment importants. »

Wallis et ses co-auteurs montrent que les irrégularités des cristaux s'emmêlent de plus en plus au fil du temps; se bousculant pour l'espace en raison de leurs champs de force concurrents - et c'est ce processus qui rend les roches plus visqueuses.

Jusqu'à présent, on pensait que cette augmentation de la viscosité était due à la poussée et à l'attraction concurrentes des cristaux les uns contre les autres, plutôt que d'être causé par des défauts microscopiques et leurs champs de contrainte à l'intérieur des cristaux eux-mêmes.

L'équipe espère appliquer ses travaux à l'amélioration des cartes d'aléas sismiques, qui sont souvent utilisés dans les zones tectoniquement actives comme le sud de la Californie pour estimer où le prochain tremblement de terre se produira. Modèles actuels, qui sont généralement basés sur l'endroit où les tremblements de terre ont frappé dans le passé, et où le stress doit donc s'accumuler, ne prennent en compte que les changements les plus immédiats à travers une zone de faille et ne considèrent pas les changements de contrainte graduels dans les roches s'écoulant profondément dans la Terre.

Travailler avec des collègues de l'Université d'Utrecht, Wallis prévoit également d'appliquer ses nouvelles contraintes de laboratoire aux modèles de mouvements de terrain suite au tremblement de terre dangereux de 2004 qui a frappé l'Indonésie, et le séisme de 2011 au Japon, qui ont tous deux déclenché des tsunamis et causé la perte de dizaines de milliers de vies.