Des géophysiciens découvrent un lien entre les ondes sismiques appelées précurseurs PKP et d’étranges anomalies dans le manteau terrestre

Depuis leur découverte, les signaux sismiques connus sous le nom de précurseurs PKP posent un défi aux scientifiques. Les régions du manteau inférieur de la Terre diffusent les ondes sismiques entrantes, qui reviennent à la surface sous forme d’ondes PKP à des vitesses différentes.

L’origine des signaux précurseurs, qui arrivent avant les principales ondes sismiques qui traversent le noyau terrestre, reste floue, mais des recherches menées par des géophysiciens de l’Université de l’Utah apportent un nouvel éclairage sur cette mystérieuse énergie sismique.

Les précurseurs du PKP semblent se propager à partir d’endroits situés profondément sous l’Amérique du Nord et le Pacifique occidental et sont peut-être associés à des « zones de vitesse ultra-faible », de fines couches du manteau où les ondes sismiques ralentissent considérablement, selon une étude publiée dans Les progrès de l’AGU.

« Ce sont quelques-unes des caractéristiques les plus extrêmes découvertes sur la planète. Nous ne savons pas vraiment ce qu’elles sont », a déclaré l’auteur principal, Michael Thorne, professeur associé de géologie et de géophysique à l’Université. « Mais une chose est sûre, c’est qu’elles semblent finir par s’accumuler sous les volcans de points chauds. Elles semblent être à l’origine de panaches de manteau entiers donnant naissance à des volcans de points chauds. »

Ces panaches sont responsables du volcanisme observé à Yellowstone, dans les îles Hawaïennes, aux Samoa, en Islande et aux îles Galapagos.

« Ces volcans de très grande taille semblent persister pendant des centaines de millions d’années à peu près au même endroit », a déclaré Thorne. Lors de travaux antérieurs, il a également découvert l’une des plus grandes zones de très faible vitesse connues au monde.

« Il se trouve juste en dessous des Samoa, et les Samoa sont l’un des plus grands volcans à point chaud », a noté Thorne.

Depuis près d’un siècle, les géoscientifiques utilisent les ondes sismiques pour sonder l’intérieur de la Terre, ce qui a conduit à de nombreuses découvertes qui n’auraient pas été possibles autrement. D’autres chercheurs de l’Université, par exemple, ont caractérisé la structure du noyau solide interne de la Terre et suivi son mouvement en analysant les ondes sismiques.

Lorsqu’un tremblement de terre secoue la surface de la Terre, les ondes sismiques traversent le manteau terrestre, cette couche dynamique de roches chaudes de 2 900 kilomètres d’épaisseur située entre la croûte terrestre et le noyau métallique. L’équipe de Thorne s’intéresse à ces ondes qui se « dispersent » lorsqu’elles traversent des structures irrégulières qui entraînent des changements dans la composition matérielle du manteau. Certaines de ces ondes dispersées deviennent des précurseurs de PKP.

Thorne a cherché à déterminer exactement où cette diffusion se produit, d’autant plus que les ondes traversent le manteau terrestre deux fois, c’est-à-dire avant et après avoir traversé le noyau liquide externe de la Terre. En raison de ce double voyage à travers le manteau, il a été presque impossible de distinguer si les précurseurs provenaient du côté source ou du côté récepteur du trajet des rayons.

L’équipe de Thorne, qui comprenait le professeur adjoint de recherche Surya Pachhai, a conçu un moyen de modéliser les formes d’onde pour détecter des effets cruciaux qui passaient auparavant inaperçus.

En utilisant une méthode de réseau sismique de pointe et de nouvelles observations théoriques issues de simulations de tremblements de terre, les chercheurs ont analysé les données de 58 tremblements de terre qui se sont produits autour de la Nouvelle-Guinée et ont été enregistrés en Amérique du Nord après avoir traversé la planète.

« Je peux placer des récepteurs virtuels n’importe où sur la surface de la Terre, et cela me dit à quoi devrait ressembler le sismogramme d’un tremblement de terre à cet endroit. Et nous pouvons comparer cela aux enregistrements réels dont nous disposons », a déclaré Thorne. « Nous sommes maintenant en mesure de projeter d’où vient cette énergie. »

Leur nouvelle méthode leur a permis de localiser avec précision l’endroit où la diffusion s’est produite le long de la frontière entre le noyau externe en métal liquide et le manteau, connue sous le nom de limite noyau-manteau, située à 2 900 kilomètres sous la surface de la Terre.

Leurs résultats indiquent que les précurseurs de PKP proviennent probablement de régions qui abritent des zones de vitesse ultra-faible. Thorne soupçonne que ces couches, qui ne font que 20 à 40 kilomètres d’épaisseur, se forment là où des plaques tectoniques subduites entrent en collision avec la limite noyau-manteau dans la croûte océanique.

« Nous avons maintenant découvert que ces zones de très faible vitesse n’existent pas seulement sous les points chauds. Elles sont réparties sur toute la limite noyau-manteau sous l’Amérique du Nord », a déclaré Thorne. « Il semble vraiment que ces zones de très faible vitesse se génèrent activement. Nous ne savons pas comment. Mais comme nous les observons près de la subduction, nous pensons que les basaltes des dorsales médio-océaniques fondent, et c’est ainsi qu’ils se génèrent. Et ensuite, la dynamique pousse ces choses partout sur Terre, et elles vont finalement s’accumuler sous les points chauds. »

La dynamique pousse ces choses partout sur Terre, et finalement, elles vont s’accumuler contre les frontières des grandes provinces à faible vitesse, qui sont des caractéristiques à l’échelle du continent distinctes sur le plan de la composition sous le Pacifique et l’Afrique, selon Thorne.

« Il est possible qu’ils s’accumulent également sous les points chauds, mais on ne sait pas si ces ULVZ sont générées par le même processus », a-t-il déclaré. Il faudra attendre de futures recherches pour déterminer les conséquences d’un tel processus.