L’imagerie haute résolution révèle des caractéristiques déroutantes profondément sous terre

Une nouvelle recherche menée par l’Université de Cambridge est la première à obtenir une « image » détaillée d’une poche de roche inhabituelle dans la couche limite avec le noyau terrestre, à environ trois mille kilomètres sous la surface.

La mystérieuse région rocheuse, située presque directement sous les îles hawaïennes, est l’une des nombreuses régions à très faible vitesse – ainsi appelées parce que les ondes sismiques ralentissent lorsqu’elles les traversent.

Recherche publiée dans le magazine du 19 mai 2022 Communication Natureest le premier à révéler en détail la complexe asymétrie intérieure de l’une de ces enclaves, mettant en lumière les paysages intérieurs profonds de la Terre et les processus qui s’y opèrent.

« De toutes les caractéristiques internes profondes de la Terre, c’est la plus fascinante et la plus complexe. Nous avons maintenant obtenu la première preuve solide pour montrer sa structure interne – c’est un véritable point de repère dans la sismologie profonde », a déclaré l’auteur principal Zhi Li, étudiant au doctorat. au Département des Sciences de la Terre à Cambridge.

L’intérieur de la Terre est formé comme un oignon : au centre se trouve le noyau de fer-nickel, entouré d’une épaisse couche appelée manteau, et au-dessus d’une fine croûte externe – la croûte sur laquelle nous vivons. Bien que le manteau soit une roche solide, il est suffisamment chaud pour couler très lentement. Les courants de convection internes transmettent de la chaleur à la surface, provoquant le mouvement des plaques tectoniques et alimentant les éruptions volcaniques.

Les scientifiques utilisent les ondes sismiques des tremblements de terre pour « voir » ce qui se trouve sous la surface de la Terre – les échos et les ombres de ces ondes révèlent des images de type radar de l’intérieur profond. Mais jusqu’à récemment, les « images » des structures à la frontière noyau-manteau, une région d’intérêt primordial pour l’étude du flux de chaleur interne de notre planète, étaient granuleuses et difficiles à interpréter.

Les événements et les trajectoires des rayons Sdiff utilisés dans cette étude. a) Une coupe transversale coupant le centre de la région à très faible vitesse à Hawaï, montrant les trajectoires des rayons pour les ondes Sdiff à 96°, 100°, 110° et 120° pour le modèle 1D PREM Earth. Les lignes pointillées de haut en bas indiquent les discontinuités de 410 km, 660 km et 2 791 km (100 km au-dessus de la limite noyau-manteau). b) Événements et trajectoires des rayons Sdiff sur le modèle de tomographie de fond SEMUCB_WM1 à une profondeur de 2791 km. Ballons de plage pour événements peints de différentes couleurs dont 20100,320 (jaune), 20111214 (vert), 20120417 (rouge), 20180910 (violet), 20180518 (marron), 20181030 (rose), 20161122 (gris), stations (triangles) , et rayons. Trajectoires des ondes Sdiff à une profondeur de trou de 2791 km dans le manteau inférieur utilisé dans cette étude. L’événement utilisé dans l’analyse de courte période est surligné en jaune. L’emplacement ULVZ proposé est indiqué dans un cercle noir. La ligne pointillée montre la coupe transversale tracée en A. Crédit : Nature Communications, DOI : 10.1038/s41467-022-30502-5

Les chercheurs ont utilisé des méthodes de modélisation numérique de pointe pour détecter des structures kilométriques à la frontière noyau-manteau. Selon le co-auteur, le Dr Kuangdai Leng, qui a développé les méthodes alors qu’il était à[{ » attribute= » »>University of Oxford, “We are really pushing the limits of modern high-performance computing for elastodynamic simulations, taking advantage of wave symmetries unnoticed or unused before.” Leng, who is currently based at the Science and Technology Facilities Council, says that this means they can improve the resolution of the images by an order of magnitude compared to previous work.

The researchers observed a 40% reduction in the speed of seismic waves traveling at the base of the ultra-low velocity zone beneath Hawaii. This supports existing proposals that the zone contains much more iron than the surrounding rocks – meaning it is denser and more sluggish. “It’s possible that this iron-rich material is a remnant of ancient rocks from Earth’s early history or even that iron might be leaking from the core by an unknown means,” said project lead Dr Sanne Cottaar from Cambridge Earth Sciences.

Conceptual cartoons of the Hawaiian ultra-low velocity zone (ULVZ) structure. A) ULVZ on the core–mantle boundary at the base of the Hawaiian plume (height is not to scale). B) a zoom in of the modeled ULVZ structure, showing interpreted trapped postcursor waves (note that the waves analyzed have horizontal displacement). Credit: Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5

The research could also help scientists understand what sits beneath and gives rise to volcanic chains like the Hawaiian Islands. Scientists have started to notice a correlation between the location of the descriptively-named hotspot volcanoes, which include Hawaii and Iceland, and the ultra-low velocity zones at the base of the mantle. The origin of hotspot volcanoes has been debated, but the most popular theory suggests that plume-like structures bring hot mantle material all the way from the core-mantle boundary to the surface.

With images of the ultra-low velocity zone beneath Hawaii now in hand, the team can also gather rare physical evidence from what is likely the root of the plume feeding Hawaii. Their observation of dense, iron-rich rock beneath Hawaii would support surface observations. “Basalts erupting from Hawaii have anomalous isotope signatures which could either point to either an early-Earth origin or core leaking, it means some of this dense material piled up at the base must be dragged to the surface,” said Cottaar.

More of the core-mantle boundary now needs to be imaged to understand if all surface hotspots have a pocket of dense material at the base. Where and how the core-mantle boundary can be targeted does depend on where earthquakes occur, and where seismometers are installed to record the waves.

The team’s observations add to a growing body of evidence that Earth’s deep interior is just as variable as its surface. “These low-velocity zones are one of the most intricate features we see at extreme depths – if we expand our search, we are likely to see ever-increasing levels of complexity, both structural and chemical, at the core-mantle boundary,” said Li.

They now plan to apply their techniques to enhance the resolution of imaging of other pockets at the core-mantle boundary, as well as mapping new zones. Eventually, they hope to map the geological landscape across the core-mantle boundary and understand its relationship with the dynamics and evolutionary history of our planet.

Reference: “Kilometer-scale structure on the core–mantle boundary near Hawaii” by Zhi Li, Kuangdai Leng, Jennifer Jenkins and Sanne Cottaar, 19 May 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5